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Inversion de la population atomique

1950
Gas laser apparatus demonstrating atomic population inversion in laser physics.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

L'inversion de population est un état, au sein d'un système d'atomes ou de molécules, où la proportion d'atomes dans un état d'énergie excité supérieur est plus élevée que dans un état d'énergie inférieur. Cet état de non-équilibre est indispensable à l'amplification de la lumière par émission stimulée. Sans elle, l'absorption serait prédominante et aucun gain net ne serait obtenu, rendant impossible l'effet laser.

Under normal thermal equilibrium, the population of energy levels is described by the Boltzmann distribution, which dictates that lower energy states are always more populated than higher energy states. To achieve laser action, this natural state must be inverted. Population inversion is the condition where the number of atoms in an excited state, [latex]N_2[/latex], exceeds the number in a lower energy state, [latex]N_1[/latex], i.e., [latex]N_2 > N_1[/latex]. This is a necessary condition for net optical gain, as the rate of stimulated emission (proportional to [latex]N_2[/latex]) must be greater than the rate of absorption (proportional to [latex]N_1[/latex]).

L'inversion de population nécessite une source d'énergie externe, un processus appelé « pompage ». Les méthodes de pompage courantes incluent le pompage optique (à l'aide d'une lampe flash ou d'un autre laser), la décharge électrique (dans les lasers à gaz) et l'injection de courant continu (dans les lasers à semi-conducteurs). Le système est « pompé » vers un niveau d'énergie élevé, qui se désintègre ensuite rapidement vers un niveau laser supérieur relativement stable, ou « métastable ». Le niveau laser inférieur est conçu pour se désintégrer rapidement, garantissant ainsi sa dépopulation. Ceci crée l'inversion entre le niveau supérieur métastable et le niveau inférieur à désintégration rapide. On utilise souvent un schéma énergétique à trois ou quatre niveaux, les systèmes à quatre niveaux étant plus efficaces car le niveau laser inférieur n'est pas l'état fondamental, ce qui facilite son maintien en état dépeuplé.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Optique

Taper

Principe physique

Perturbation

Fondamentaux

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • théorie de l'émission stimulée (Einstein)
  • quantum mechanics and discrete energy levels (Bohr, Schrödinger)
  • Statistiques de Boltzmann pour l'équilibre thermique
  • développement de masers (Townes, Basov, Prokhorov)

Applications

  • tous types de lasers (à gaz, à semi-conducteurs, à l'état solide)
  • masers
  • amplificateurs optiques
  • expériences de superradiance
  • horloges atomiques

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • room-temperature X-ray lasers using nuclear isomers
  • population inversion-based cooling systems for microelectronics
  • efficient anti-stokes raman lasers for chemical detection
  • gamma-ray lasers based on controlled nuclear transitions
  • inversion-less lasing schemes for ultra-low threshold lasers
  • coherent matter-wave amplifiers (atom lasers) with population inversion
  • terahertz lasers for non-invasive medical diagnostics
  • direct solar-pumped lasers for space-based power transmission
  • spin-polarized lasers for spintronics applications
  • tunable lasers based on engineered combien donnes-tu population dynamics
En lien avec : inversion de population, laser, maser, émission stimulée, gain optique, pompage, état métastable, hors équilibre, distribution de Boltzmann, niveaux d'énergie.

Contexte historique

Inversion de la population atomique

1950
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1957
1958
1960
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1957
1957
1959-11
1960

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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