Jeudi 29 avril 2010 à 7:52

Sciences et techniques

Un article plus sérieux aujourd'hui, mais qui demandera plus d'attention.

    J'ai lu fin mars un article de Laurent Sacco sur les “sasers”, des lasers pour le son au lieu de la lumière.
    J’ai pensé que cela pourrait intéresser certains d’entre vous de savoir ce que c’était;
    Le problème est de l’expliquer simplement, sans calcul et sans formules.
    Pour cela il faut d’abord que je parle des lasers, car les principes théoriques sont voisins, mais les réalisations différentes.


    Vous avez tous vu des lasers, ne serait ce que dans votre chaîne hi-fi.
Je suis moins certain que vous en connaissiez le principe.
    Un laser est un émetteur de lumière pratiquement monochromatique (un spectre très étroit autour d’une longueur d’onde caractéristique). C’est en même temps un amplificateur, qui produit donc une quantité de lumière (et donc d’énergie),assez importante.
    Par ailleurs sa construction est telle que le rayonnement lumineux est relativement très directif et constitue un faisceau étroit et donc l’énergie est concentrée dans un faible espace.
    Les premiers lasers travaillaient dans le domaine des micro-ondes (on les appelait “masers”), puis on a connu les lasers infra-rouges, puis visibles et ultraviolets. On commence à savoir faire des lasers à rayons X.

Quel est le principe des lasers :
    - un premier principe de physique, d’émission de lumière par les atomes, et
    - un principe de construction qui permet l'amplification de la lumière.


    Vous avez dû apprendre en première, le modèle de l’atome de Bohr, dans lequel un atome d’un élément donné, possède un nombre d’électrons périphériques spécifique qui le caractérise, (ainsi que ses propriétés chimiques), électrons répartis sur des couches successives.
    Sans doute vous a t’on dit que les électrons les moins liés se trouvaient dans l’état normal sur une couche “fondamentale”, mais qu’ils pouvaient aussi, si on leur apportait de l’énergie, se retrouver sur certains “couches” plus éloignées) correspondant à des niveaux d’énergie plus élevés.
    Ces niveaux plus éloignés ne sont pas quelconques : ils correspondent à des énergies bien précises et les transitio,ns ont en général des probabilités différentes de se produire.
    Sur la figure ci-dessous, on voit quatre niveaux possibles avec des différences d’énergie par rapport au niveau fondamental de E1, E2, E3, et E4 et les probabilités des transitions.
    Pour qu’un électron veuille bien passer du niveau fondamental au niveau 1, il faut lui fournir exactement l’énergie E1. Si cette énergie est fournie sous forme d’une énergie lumineuse, il faudra qu’elle ait une longueur d’onde bien précise (donnée par la formule λ1 = hC/E1 où h est la constante de Plank, C la vitesse de la lumière et l’énergie à fournir).
    Si on fournit les quatre lumières correspondant aux quatre énergies E1, E2, E3, E4, les nombres d’électrons qui iront sur ces niveaux seront proportionnels aux probabilités correspondantes. (transitions en rouge sur la schéma ci-dessous).

http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/niveauxelectrons.jpg

    Mais les électrons qui sont ainsi passés sur des niveaux plus élevés sont dans un état excité instable et ils ont tendance à revenir à l’état fondamental suivant des transitions bien précises indiquées en bleu sur le schéma.
    En revenant à l’état initial ils perdront l’énergie sous forme de lumière.
    Mais si les transitions 1 et 3 redonneront les photons d’énergie initiale identique à celle fournie au départ, celles des niveaux 2 et 4 se feront en plusieurs transitions (ici deux), et les photons lumineux qui en résulteront  auront des longueurs d’ondes correspondant par exemple pour le photon 2 à E2-E1 et à E1.

    Pour certains cristaux il existe un niveau fondamental et un niveau secondaire à forte probabilité et peu de niveaux proches.
    Si l’on fournit à ces cristaux de la lumière de l’énergie appropriée correspondant à l’énergie permettant de propulser les électrons sur ce niveau excité et que l’on arrive à avoir plus d’électrons sur ce niveau qu’il n’y en a sur le niveau fondamental, la lumière émise par les électrons revenant à leur état fondamental peut participer à faire remonter d’autres électrons dans l’état excité et on a un phénomène d’amplification qui peut s’entretenir pendant une certaine durée.
    On appelle cela le “pompage”.
    Mais les photons lumineux partant dans toutes les directions, ne sont pas tous repiégés et le phénomène a tendance à décroître et s’étouffer.
    Il est donc nécessaire d’augmenter la probabilité de capture et on met le cristal entre deux miroirs qui renvoient les photons lumineux, les enfermant ainsi dans une cavité.
    Bien sur l’amplification ainsi produite a des limites mais elle est concidérable par rapport à la lumière (et à l’énergie, fournies au départ.
    Pour que le lser soit utile il faut pouvoir sortir cette lumière amplifiée par l’un des miroirs qui est partiellement réfléchissant et partiellement transparent.
    Le schéma ci dessous montre l’organisation d’un laser, une lampe autour du cristal de rubis fournissant la lumière d’amorçage du pompage et les deux miroirs réfléchissant les photons réémis, ce qui produit l’amplification.
    On ressort une partie du rayonnement amplifié, monochromatique vers l’avant

http://lancien.cowblog.fr/images/ClimatEnergie/Laserrubis.jpg

    Vous connaissez certainement un effet analogue sur le plan sonore : l’effet “Larsen”
    Quand un micro audio, lié à un amplificateur, est placé trop près des hauts parleurs, on entend un son strident très fort.
    Le faible son du haut parleur correspondant aux fréquences optimales d’amplification est  repris par le micro et amplifié par l’amplificateur, et le son plus fort qui sort du haut parleur est à nouveau repris et ainsi de suite, jusqu’à un maximum d’amplification qui fournit ce son strident insupportable.
   
  
  Nous verrons demain que l’on pense pouvoir réaliser des “lasers sonores”  que l’on pourrait appeler des “sasers”
Par autresrimes le Jeudi 29 avril 2010 à 10:12
bonjour Jean-pierre
je ne connaissais pas le nom "saser" sympa et interressant cet article.
te souhaitant une bonne journée ,A+ d' Emmanuel
 

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