Juin 2003

~UNIVERSITE HENRI POINCARE NANCY 1FACULTE DES SCIENCESSUJET D'EXAMENDIPLOMEEpreuve deSession deDateHoraireLICENCE DE PHYSIQUEPHYSIQUE EXPERIMENTALEJUIN 2003juin 2003Durée du sujet 2 HEURESNoms du rédacteur H. RINNERTDocuments non autorisésCalculatrices autoriséesOn se propose d'étudier un laser pour lequel le résonateur est une cavité optique formée dedeux miroirs en regard et le milieu amplificateur est constitué d'un système à trois niveaux.1) Etude de l'amplificateur1. Qu'appelle-t-on émission stimulée? Quelle est sa caractéristique principale?Citer les trois types de transitions possibles entre deux niveaux d'énergie El et E2 d'unatome.2. A l'équilibre thermique, à la température thermodynamique T, la population des niveauxd'énergie suit la statistique de Boltzmann.a) Donner l'expression du rapport N2/NI des populations d'atomes occupantrespectivement les niveaux El et E2,à la température T.b) Calculer ce rapport à la température de 300 K et pour une transition dans le domainevisible E2>EI=2eV.c) En général, une onde se propageant suivant une direction Oz dans un milieu à deuxniveaux d'énergie s'amortit exponentiellement.Soit 1l'intensité de cette onde:1= Ioexp( -cJ:z)Le coefficient d'absorption a dépend des populations NI et N2. Exprimer cettedépendance. Quelle est la condition nécessaire sur les populations pour obtenir unmilieu amplificateur? Cette condition est-elle réalisable avec un système à deuxniveaux ?3. On donne ci-dessous le schéma des trois niveaux d'énergie mis enjeu dans la réalisationdu laser.N3RelaxationPompageNIN2/Transition...LASEREn écrivant les équations cinétiques d'évolution des niveaux 2 et 3, montrer qu'il estpossible d'obtenir l'inversion de population et donc le phénomène d'amplification. Onpourra écrire, en régime permanent, le rapport des populations N2/N 1 en fonction desdurées de vie '[2et '[3des niveaux 2 et 3 et du taux de pompage W.