Lasers : interaction lumière-atomes

Auteur(s) :

Cagnac, Bernard (1931-....) Découvrir l'auteur

Résumé

A pour objectif d'aider les étudiants et les scientifiques qui souhaitent comprendre comment fonctionnent les lasers et/ou qui en ont besoin pour améliorer leur fonctionnement.

Éditeur(s)
- EDP sciences
- CNRS éd.
Date
- 2002
Notes
- Index
Langues
- Français
Description matérielle
- XI-526 p. : ill., couv. ill. ; 23 cm
Collections
- Savoirs actuels
Sujet(s)
- Lasers
ISBN
- 2-86883-528-7 ;
- 2-271-05954-2
Indice
- 535.2 Optique physique, spectroscopie, laser
Quatrième de couverture
- Cet ouvrage a d'abord pour objectif d'aider les étudiants et les scientifiques (universitaires et ingénieurs) qui souhaitent comprendre comment fonctionnent les lasers et/ou qui en ont besoin pour améliorer leur fonctionnement. Dans ce but, le langage des probabilités d'Einstein permet d'expliquer rapidement l'essentiel. On le complète en électromagnétisme par la description du faisceau gaussien et des modes du rayonnement, indispensable pour les expérimentateurs.
  Le langage des probabilités n'est qu'une première approximation, incapable de décrire tous les aspects de l'interaction entre les atomes et la lumière. On développe donc aussi une première approche, aussi simple que possible, de l'interaction quantique entre l'atome et le champ électrique de l'onde (équations de Bloch optiques) : on montre dans quelles conditions le modèle des probabilités est applicable, mais aussi quelles sont ses limites. Parmi les nombreuses expériences présentées, une place importante est donnée aux phénomènes de diffusion de lumière, ainsi qu'aux phénomènes où l'explication quantique est indispensable (oscillation de Rabi, franges de Ramsey, «déplacement lumineux» de la fréquence de résonance, dédoublement Antler-Townes, super-radiance, échos de photons, solitons résonnants).
  Ces ouvrages, écrits par des chercheurs, reflètent des enseignements dispensés dans le cadre de la formation à la recherche. Ils s'adressent donc aux étudiants avancés, aux chercheurs désireux de perfectionner leurs connaissances ainsi qu'à tout lecteur passionné par la science contemporaine.
Tables des matières
- - Lasers
  - Interaction lumière-atomes
  - Bernard Cagnac
  - Jean-Pierre Faroux
  - EDP Sciences/CNRS Éditions
  - Introductionxiii
  - Partie I. Action d'un champ électromagnétique classique sur un système à deux états quantiques1
  - 1 Action d'une onde classique sur un atome isolé3
  - 1.1 Hamiltonien de l'interaction dipolaire électrique3
  - 1.2 Résolution de l'équation de Schrödinger. Représentation "tournante". Approximation séculaire6
  - 1.3 Cas d'un seul atome non perturbé. Oscillation de Rabi pure10
  - 1.4 Les expériences de Rabi sur jet atomique12
  - 2 Équations différentielles de Bloch17
  - 2.1 Introduction des variables collectives, moyennées sur les atomes18
  - 2.2 Expression de l'équation de Schrödinger avec les nouvelles variables20
  - 2.3 Description théorique de l'émission spontanée et des collisions22
  - 2.4 Équations différentielles de Bloch24
  - 3 Solution stationnaire des équations de Bloch27
  - 3.1 Calcul de la solution stationnaire27
  - 3.2 Les populations atomiques. Comparaison avec le modèle des probabilités de transition29
  - 3.3 La polarisation atomique. Absorption et dispersion33
  - 3.4 Courbes de résonance en fréquence. Élargissement de puissance36
  - 3.5 Saturation43
  - 3.6 Comparaison avec l'oscillateur classique. Force d'oscillateur46
  - 4 Comparaison avec la résonance magnétique (spin 1/2)49
  - 4.1 Hamiltonien d'interaction avec un champ magnétique50
  - 4.1.1 Rapport gyromagnétique50
  - 4.1.2 Opérateur moment angulaire50
  - 4.2 Équation de Schrödinger dans un champ transverse oscillant51
  - 4.3 Vecteur moment magnétique atomique53
  - 4.4 Vecteur de Bloch54
  - 4.4.1 Référentiel tournant54
  - 4.4.2 Cas d'un champ tournant. Approximation séculaire56
  - 4.5 Aimantation volumique et relaxation59
  - 4.6 Solution stationnaire. Observation expérimentale61
  - 5 Solution transitoire des équations de Bloch65
  - 5.1 Calcul dans le cas résonnant. Amortissement de l'oscillation de Rabi65
  - 5.2 Calcul de l'oscillation amortie dans le cas général, non résonnant69
  - 5.3 Comparaison des oscillations atomiques individuelles avec l'oscillation collective74
  - 5.4 Observation expérimentale de l'oscillation collective80
  - 6 Impulsions courtes de l'onde électromagnétique87
  - 6.1 Impulsions carrées hors résonance à très forte intensité88
  - 6.2 Généralisation au cas d'impulsions résonnantes non carrées91
  - 6.3 Impulsions carrées hors résonance. Élargissement de la résonance par réduction de la durée d'interaction93
  - 6.4 Évolution libre de la polarisation dans le noir96
  - 6.5 Cas de deux impulsions cohérentes successives (Ramsey). Explication approchée98
  - 6.6 Calcul exact des franges de Ramsey102
  - 6.6.1 Calcul de la population après la deuxième impulsion, en l'absence d'amortissement102
  - 6.6.2 Effet de l'amortissement105
  - 6.7 Application aux expériences de physique atomique et de métrologie106
  - 7 Champs électromagnétiques intenses115
  - 7.1 Le hamiltonien dans la Représentation "Tournante"116
  - 7.2 Cas non résonnant "déplacements lumineux" ou effet Stark dynamique119
  - 7.3 Observation expérimentale des déplacements lumineux123
  - 7.4 Cas résonnant doublet Autler-Townes131
  - 7.5 Oscillation de Rabi à résonance136
  - 7.6 Effet Bloch-Siegert et approximation séculaire (en Résonance Magnétique)139
  - Partie II. Fonctionnement des lasers dans le modèle des probabilités de transition143
  - 8 L'amplification d'une onde de lumière147
  - 8.1 Les équations d'évolution des populations atomiques, coefficients d'Einstein147
  - 8.2 Sections efficaces d'interaction. Différence pondérée des populations151
  - 8.3 La saturation à forte intensité lumineuse153
  - 8.4 Coefficient d'absorption généralisé. L'inversion des populations, condition d'amplification156
  - 8.5 Les processus d'inversion ou de pompage159
  - 8.5.1 Le tri sur jet atomique ou moléculaire159
  - 8.5.2 Irradiation avec une autre onde électromagnétique sur une autre transition160
  - 8.5.3 Collisions électroniques, atomiques ou moléculaires dans les gaz165
  - 9 Équations fondamentales du laser oscillateur ou générateur169
  - 9.1 Amplification et oscillation. Rôle d'une cavité résonnante169
  - 9.2 Constante de temps et coefficient de qualité d'une cavité171
  - 9.3 Équation différentielle de l'énergie lumineuse. Seuil de fonctionnement176
  - 9.4 Comparaison avec le gain sur un tour de cavité180
  - 9.5 Équations différentielles des populations. Exemples de modélisation182
  - 9.5.1 Modèle à deux niveaux182
  - 9.5.2 Modèle à quatre niveaux186
  - 10 Régime continu de fonctionnement191
  - 10.1 Équation de l'énergie lumineuse. Populations au seuil191
  - 10.2 Raisonnement sur un tour. Gain saturé et gain non saturé192
  - 10.3 Bilan stationnaire des populations. Puissance de sortie193
  - 10.3.1 Modèle à deux niveaux194
  - 10.3.2 Modèle à quatre niveaux196
  - 10.4 Optimisation de la puissance de sortie198
  - 10.5 Bilan d'énergie. Compétition entre émissions spontanée et stimulée201
  - 11 Régimes variables ou impulsionnels205
  - 11.1 Oscillations de relaxation, conséquence des équations non linéaires couplées205
  - 11.2 Démarrage d'un laser continu210
  - 11.2.1 Laser à fibre optique, dopée au Nd3+, démarré par l'irradiation du pompage optique210
  - 11.2.2 Laser à décharge de très faible puissance démarré par déblocage instantané de la cavité212
  - 11.3 Impulsions déclenchées215
  - 11.4 Calcul approché des impulsions géantes très courtes220
  - 11.5 Impulsions ultra courtes en blocage de modes225
  - 11.6 Dilatation et compression d'impulsion232
  - 12 Divers types de lasers237
  - 12.1 Gaz pompés par décharge électrique237
  - 12.2 Excimères ou Exciplexes251
  - 12.3 Pompage optique ou chimique dans les gaz255
  - 12.3.1 Pompage optique résonnant de vibrations moléculaires255
  - 12.3.2 Production de molécules excitées par photodissociation ou réaction chimique258
  - 12.4 Pompage optique en milieu condensé. Lasers accordables259
  - 12.5 Lasers à semi-conducteurs266
  - 12.6 Chaînes d'amplificateurs pour les fortes puissances270
  - 13 Fréquence de l'oscillation laser275
  - 13.1 Résonances de cavité et résonance atomique. Mode pulling275
  - 13.1.1 Correction des fréquences de résonance d'une cavité pleine277
  - 13.1.2 Cas d'un laser en régime continu280
  - 13.2 Élargissement homogène par collisions282
  - 13.2.1 Calcul des probabilités de collisions, vitesse relative et section efficace282
  - 13.2.2 Application aux transitions optiques résonnantes285
  - 13.3 Élargissement inhomogène. Classes d'atomes. Classes de vitesses287
  - 13.3.1 Classes d'atomes dans un environnement inhomogène288
  - 13.3.2 Effet Doppler dans un gaz (inhomogénéité dynamique)291
  - 13.4 "Hole burning", conséquence des classes d'atomes295
  - 13.5 Cas des gaz en cavités: résonance de saturation et Lamb-dip298
  - 13.6 Compétition de modes dans les lasers à gaz303
  - 14 Techniques de contrôle des fréquences laser309
  - 14.1 La première sélection de fréquence d'un laser accordable309
  - 14.1.1 Train de prismes309
  - 14.1.2 Réseau de diffraction311
  - 14.1.3 Filtre de Lyot312
  - 14.2 Cavité en anneau unidirectionnelle314
  - 14.3 Interféromètres en cascade dans un laser accordable monomode317
  - 14.4 Synchronisation par injection320
  - 14.5 Asservissements sur une raie fine. Standards de fréquence et de longueur322
  - 14.5.1 Le "jitter" en fréquence322
  - 14.5.2 Asservissement sur une raie de saturation322
  - 14.5.3 La mesure directe des fréquences optiques325
  - 14.6 Cohérence temporelle et spatiale327
  - Partie III. Calcul des ondes émises337
  - 15 Le faisceau gaussien en espace libre341
  - 15.1 Approximation des ondes sphériques paraxiales341
  - 15.2 Limitation gaussienne de l'étendue du front d'onde344
  - 15.3 Rappel de la résolution des équations d'onde par la méthode de Kirchhoff347
  - 15.4 Application de la méthode de Kirchhoff à un faisceau paraxial: stabilité de la solution gaussienne351
  - 15.5 Caractéristiques de l'onde gaussienne356
  - 15.5.1 Rayon gaussien du profil transversal357
  - 15.5.2 Rayon de courbure du front d'onde357
  - 15.5.3 Amplitude et phase de l'onde359
  - 15.5.4 Directivité et inégalités de Heisenberg362
  - 15.6 Problèmes de détermination des caractéristiques gaussiennes363
  - 15.6.1 Rayon gaussien w1 et rayon de courbure R1 imposés dans un plan d'onde fixé P363
  - 15.6.2 Deux rayons gaussiens w1 et w2 imposés dans deux plans P et Q distants de D364
  - 15.7 Transformation de l'onde gaussienne par une lentille366
  - 15.7.1 Action d'une lentille sur le rayon de courbure de l'onde366
  - 15.7.2 Application au cas d'une onde gaussienne368
  - 15.8 Aspect vectoriel de l'onde gaussienne371
  - 16 Les modes d'une cavité linéaire375
  - 16.1 Le faisceau gaussien en cavité linéaire (modes gaussiens fondamentaux)375
  - 16.1.1 Discussion de la validité de ces calculs de modes378
  - 16.1.2 Condition de résonance de la cavité383
  - 16.2 Équation des ondes paraxiales (approximation de l'enveloppe lentement variable)384
  - 16.3 Solutions de l'équation paraxiale à variables x et y séparées. Modes transverses de Hermite-Gauss387
  - 16.4 Mise en évidence expérimentale des modes transverses395
  - 16.4.1 Cas d'une cavité passive395
  - 16.4.2 Cas d'une cavité active397
  - 16.4.3 Modes de symétrie circulaire, de Laguerre-Gauss399
  - 16.5 Comparaison avec les modes guidés401
  - 17 Propagation dépendant de la polarisation atomique405
  - 17.1 Couplage des équations d'onde et des équations quantiques de Bloch405
  - 17.2 Équations de Maxwell avec second membre. Ondes planes dans les milieux isolants, homogènes et isotropes408
  - 17.3 Onde plane progressive quasi sinusoïdale (approximation de l'enveloppe lentement variable). Laser amplificateur411
  - 17.4 Onde stationnaire dans une cavité laser (en dessous de la saturation)415
  - 17.4.1 Conséquence sur la phase et la fréquence. Mode pulling419
  - 17.4.2 Conséquence sur l'amplitude du champ421
  - 17.5 Effet de la saturation dans une onde stationnaire (laser oscillateur, modèle de Lamb)422
  - 17.5.1 Conséquence sur la phase et la fréquence424
  - 17.5.2 Conséquences de l'équation sur l'amplitude425
  - 17.6 Propagation d'impulsions ultracourtes: aires d'impulsion429
  - 17.6.1 Équations de Bloch sans relaxation429
  - 17.6.2 Élargissement inhomogène430
  - 17.6.3 Théorème des aires d'impulsion431
  - 17.6.4 Application à une impulsion de faible intensité433
  - 17.7 Impulsions ultracourtes très intenses. Autotransparence434
  - 17.7.1 Cas où l'aire d'impulsion est un multiple de pi435
  - 17.7.2 Recherche d'une loi temporelle indéformable (solutions résonnants)437
  - 18 Les dipôles atomiques, sources de rayonnement443
  - 18.1 Onde rayonnée par un dipôle oscillant443
  - 18.2 Application au dipôle atomique créé par une onde incidente446
  - 18.2.1 Puissance cohérente rayonnée dans l'onde dipolaire447
  - 18.2.2 Puissance absorbée et dissipée par un atome448
  - 18.2.3 Cas des processus éloignés de la résonance450
  - 18.2.4 Bilan des énergies échangées. Puissance incohérente451
  - 18.3 Interférences des ondes dipolaires dans les directions obliques455
  - 18.3.1 En milieu condensé456
  - 18.3.2 Les fluctuations de densité dans un gaz457
  - 18.3.3 Diffusion par une onde sonore460
  - 18.4 Diffusion cohérente vers l'avant463
  - 18.4.1 Cône de cohérence463
  - 18.4.2 Faisceau incident gaussien (dispersion et absorption)466
  - 18.4.3 Puissance de l'onde résultante. Amplification469
  - 18.5 Superradiance due aux interactions entre voisins470
  - 18.6 L'émission spontanée amplifiée (ou A.S.E., Amplified Spontaneous Emission)475
  - 18.7 Émission libre cohérente et échos de photons477
  - 18.7.1 Brouillage des oscillations libres dans le noir par les inhomogénéités477
  - 18.7.2 La technique des échos478
  - 18.7.3 Observation expérimentale dans les solides et dans les gaz482
  - 19 Vecteur dipôle atomique et polarisation des ondes487
  - 19.1 Représentation standard du moment angulaire ou dipolaire488
  - 19.2 Théorème de Wigner-Eckart491
  - 19.3 Action d'une onde polarisée circulairement492
  - 19.4 Probabilités de transition et coefficients d'Einstein495
  - 19.4.1 Transition élémentaire entre deux états quantiques495
  - 19.4.2 Coefficients d'Einstein496
  - 19.4.3 Utilisation des probabilités de transition498
  - 19.5 Diagrammes de rayonnement des transitions dipolaires électriques503
  - 19.6 Base standard508
  - 19.6.1 Définition. Produit scalaire hermitien508
  - 19.6.2 Application aux polarisations standard509
  - 19.6.3 Composantes standard d'un vecteur510
  - 19.7 Changements de base pour la polarisation lumineuse511
  - Notations515
  - Index521
Origine de la notice:
- FR-751131015 ;
- Electre