Inversion de la population | Explication | 3 Phénomène important

INVERSION DE LA POPULATION

Contenu : Inversion de population

Qu'est-ce que l'inversion de population?

L'inversion de population fait référence à l'état dans lequel la quantité d'atomes ou de particules subatomiques résidant dans un niveau d'énergie excité supérieur est supérieure au nombre d'atomes ou de particules subatomiques résidant dans un niveau d'énergie excité inférieur ou au niveau du sol. Cet état est appelé population inversion car, dans des conditions normales, la population dans les états d'énergie inférieure est supérieure aux états excités. Le concept d'inversion de population est le principe directeur de la fabrication des lasers et des masers.

inversion de population
Diagramme de niveau d'énergie de l'inversion de population.
Source de l'image: Bob Melish CC BY-SA 3.0 Fichier: Population-inversion-3level.png

Qu'est-ce que l'absorption?

Planck a déclaré que

"L'énergie du rayonnement électromagnétique est confinée à des paquets d'énergie indivisibles appelés quanta, chacun de ces quanta ou paquets a la même énergie que le produit de la constante de Planck et de la fréquencen du rayonnement. »

Les électrons dans les états d'énergie inférieure absorbent l'énergie externe sous forme de chaleur (phonons) ou de lumière (photons) pour atteindre un état d'énergie plus élevé, ne peut se produire que lorsque la différence d'énergie entre les états haut et bas est la même. Dans le cas des photons, cela se traduit par des particules ne peuvent absorber une longueur d'onde spécifique de lumière que pour subir une transition. Ce concept d'énergie lumineuse en termes de quanta a été proposé par Max Planck.

h est la constante de Planck.
v fréquence.
c est la vitesse de la lumière.
λ est la longueur d'onde.

Qu'est-ce que l'émission stimulée?

Le photon émis lorsqu'un électron passe d'un état d'énergie plus élevée à un état d'énergie plus faible après l'absorption de photons correspond aux photons d'origine en termes de phase, de direction et de longueur d'onde et cela est connu sous le nom d'émission stimulée, et est le principal phénomène derrière le travail. des lasers. Les lasers ont un milieu de gain qui est un matériau (solide, liquide ou gazeux) qui obtient l'énergie d'une source externe et la fournit aux atomes pour les exciter vers leurs états supérieurs. Le milieu à gain optique est analysé en termes de forme, taille, concentration et pureté.

Qu'est-ce que l'émission spontanée?

L'électron entourant le noyau n'est pas capable de rester dans l'état excité le plus élevé pour toujours et ces électrons perdent de l'énergie ou se désintègrent pour retomber dans un état d'énergie inférieur. Cette transition d'électrons de haut en bas se produit à des intervalles de temps distincts et l'énergie est émise sous forme de photon et de processus de transition électronique sans aucune application d'énergie externe. Les électrons émis via ce processus ont une phase et une direction aléatoires. Ce type d'émission n'est pas capable de produire une sortie de lumière cohérente de haute intensité.

Quelle est la relation entre l'émission stimulée et l'inversion de la population?

Les lasers ont un milieu à gain optique sous la forme d'un matériau (solide, liquide ou gazeux) qui amplifie le faisceau de photons émis. Le milieu à gain optique est analysé en termes de forme, taille, concentration et pureté. Une inversion de population se produira si le non des particules dans le niveau d'énergie excité est devenu supérieur au non des particules existant dans le niveau d'énergie inférieur après le processus d'émission stimulée et dans le cas des lasers, le taux d'émission stimulée dépasse le taux d'absorption. par l'électron et c'est ainsi que la lumière ou le faisceau de photons émis est amplifié. Le processus de gain d'amplitude dans un faisceau de photons est appelé amplification optique.

Pourquoi l'inversion de population est-elle nécessaire pour l'action laser?

L'action de lasage se produit lorsqu'un grand nombre d'atomes ou de particules subatomiques, c'est-à-dire des électrons (un matériau solide, liquide ou gazeux) libèrent simultanément de l'énergie sous forme de photons tout en passant d'un état excité supérieur à un état fondamental inférieur par le processus de stimulation. émission. Pour que cette action se produise, les atomes ou particules subatomiques doivent d'abord être excités à un état d'énergie plus élevé pour qu'une émission stimulée suive. Cet état est obtenu par inversion de population. Dans le cas des lasers, le taux d'émission stimulée dépasse le taux d'absorption par les électrons. C'est ainsi que la lumière ou le faisceau de photons émis est amplifié. Sans inversion de population, l'action laser ne peut se produire.

Qu'est-ce que la distribution Boltzmann?

S'il y a N nombre d'atomes, et deux états d'énergie (état fondamental E1 et état excité E2). Alors N peut être donné par

N1 + N2 = N (N1 est le nombre d'atomes dans l'état fondamental E1 & N2 est le nombre d'atomes dans l'état excité E2)

La différence d'énergie entre les deux états excités est donnée par

ΔE = E2 - E1 = hv12 (v12 est la fréquence de l'onde émise lors du passage de E2 à E1 & h est la constante de Planck)

Selon les statistiques de Maxwell – Boltzmann, au cours du groupe d'atomes sont en équilibre thermique, alors rapport du non. des atomes dans chaque état est exprimé par l'équation suivante.

 Ici, T est la température thermodynamique du groupe d'atomes.
 k est la constante de Boltzmann.

L'inversion de population se produira si le no de l'atome à l'état excité N2 est supérieur au no de l'atome à l'état fondamental, c'est-à-dire N1. À partir de l'équation, nous pouvons dire que le rapport N2 / N1 est supérieur à 1 uniquement lorsque la température thermodynamique T est négative car E2 - E1 sera toujours positive.

Autres moyens de créer une inversion de population

L'émission électromagnétique micro-ondes cohérente est produite par le processus d'amplification par émission stimulée dans un instrument connu sous le nom de MASER.Amplification micro-ondes par émission stimulée de rayonnement»Et Ceci est obtenu par l'élimination d'un type spécifique d'atomes du système sur la base de certaines différences de propriétés.

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À propos de Sanchari Chakraborty

Je suis un apprenant passionné, actuellement investi dans le domaine de l'optique appliquée et de la photonique. Je suis également membre actif de SPIE (Société internationale pour l'optique et la photonique) et OSI (Optical Society of India). Mes articles visent à mettre en lumière des sujets de recherche scientifique de qualité d'une manière simple mais informative. La science évolue depuis des temps immémoriaux. Alors, j'essaie de ma part de puiser dans l'évolution et de la présenter aux lecteurs.

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