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Electron microscope slow-motion video of vinyl LP

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I describe how I made a stop motion animation of a phonograph needle in an LP groove using an electron microscope. I also show electron micrographs of other recording media. Support Applied Science: https://www.patreon.com/AppliedScience

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O4 Petite approche de la mécanique quantique PROF 

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C4 Le LASER ou le Transfert quantique ver 4 PROF

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Les lasers en dermatologie - [Biologie de la peau]

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Le mot " LASER " est l'acronyme de l'anglais " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation " (amplification de la lumière par émission stimulée de radiations).

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Que sait-on vraiment de la réalité ? : Expérience quantique

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Extrait du documentaire "Que sait-on vraiment de la réalité !? Dans le terrier du lapin", de Mark Vicente Betsy et William Arntz (2005). Ce passage décrit une expérience de mécanique quantique, basée sur celle des "fentes de Young" faite par Thomas Young en 1801. Les résultats obtenus illustrent le problème de la mesure quantique.

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Pdt Chap 6 Le LASER ou les transfets quantiques

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Il est partout mais savez vous comment il fonctionne? Cet épisode nous explique l'interaction entre lumière et matière qui permet d'arriver au laser Vous pouvez retrouver d'autres épisodes sur http://kezako.unisciel.fr

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Fonctionnement du LASER - Physique-Chimie - Terminale - Les Bons Profs

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Résumé

L'histoire du LASER commence dans les années 1800 avec la modification du concept de la lumière.

En 1801, Thomas Young remet en question l'interprétation corpusculaire de la lumière. Grâce à sa célèbre expérience des fentes d'Young il met en évidence le comportement ondulatoire de la lumière.

La théorie ondulatoire de la lumière va ensuite être appuyée par les travaux de Augustin Fresnel et François Arago. En juillet 1849, Hippolyte Fizeau réalise une mesure la vitesse de la lumière dans l'air en utilisant une roue dentée tournant à vitesse constante. Il trouve une vitesse proche de 315 300 km/s.

En 1864, James Clerk Maxwell publie la théorie de l'électromagnétisme. Ainsi il montre que la lumière est une perturbation électromagnétique qui se propage dans l'espace. Il trouve une vitesse de 310 740 km/s.

Le caractère ondulatoire de la lumière semble alors admis lorsque Max Planck, en 1900, cherche à expliquer les phénomènes d'incandescence. Il montre que l'énergie lumineuse ne s'échange pas avec la matière d'une façon continue, mais par paquets d'énergie qu'il appelle quanta. L'énergie est donnée par la formule E = hν avec ν la fréquence du rayonnement et h = 6,62.10 ³⁴, appelée de fait, constante de Planck. En 1905, Albert Einstein décrit l'effet photoélectrique. Il montre que chaque corpuscule de lumière a une énergie déterminée. Cette énergie est égale au produit de la fréquence de la lumière par la constante h.

Max Planck va recevoir le prix Nobel de physique en 1918 pour ses travaux sur la théorie des quanta, Albert Einstein recevra lui-aussi le prix Nobel de physique en 1921 pous son explication de l'effet photoélectrique.

Puis, Niels Bohr, en 1922, va recevoir le prix Nobel pour son apport à l'édification de la mécanique quantique. Il présente une théorie selon laquelle l'atome est constitué d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Dans cette représentation planétaire des électrons, plus les électrons sont éloignés du noyau, plus leur énergie est importante. Les électrons ont la possibilité de passer d'un niveau à un autre en émettant un quantum d'énergie : un photon.

Sur la figure 1 sont représentés deux niveaux d'énergie d'un atome. Il faut apporter de l'énergie à l'atome pour faire sauter les électrons sur des niveaux supérieurs. Cette énergie doit être de plus en plus grande lorsqu'on s'éloigne du noyau.

Chaque niveau est caractérisé par son énergie, sa population et sa durée de vie (c'est-à-dire le temps caractéristique de dépeuplement de ce niveau). Lorsqu'un atome est excité par un apport extérieur d'énergie, les électrons passent sur des niveaux d'énergie supérieurs. La durée de vie sur ces niveaux est très faible, ils retournent spontanément sur un niveau inférieur en émettant un photon de fréquence ν telle que E ₂ - E ₁ = hν.

En 1913, on ne connaissait que deux processus d'interaction entre les atomes et le rayonnement : l'absorption et l'émission spontanée.

Lors de l'absorption, figure 2, l'atome passe de l'état fondamental d'énergie E₁ à l'état excité d'énergie E₂ en absorbant un photon. Un photon a disparu de l'onde incidente, celle-ci se trouve atténuée.

Lors de l'émission spontanée, figure 3, l'atome initialement dans l'état excité d'énergie E₂ redescend dans l'état fondamental d'énergie E₁ en émettant un photon. Ce photon est émis dans une direction aléatoire au bout d'un temps lui aussi aléatoire. Le niveau 2 se dépeuple au profit du niveau 1. La probabilité ou taux d'émission spontanée par atome et par unité de temps, notée A2->1, est nommée coefficient d'Einstein.

L'expérience de résonance optique avec du sodium est présentée sur le schéma et le film de la figure 4. Une lampe à sodium délivre un faisceau de lumière qui passe dans un ballon rempli de vapeur de sodium.

Le principe de l'expérience repose sur le fait que les atomes de vapeur de sodium absorbent les photons de fréquence ν de telle sorte qu'ils passent de l'état fondamental E ₁ à l'état excité E ₂. Les atomes excités redescendent ensuite spontanément à l'état fondamental en ré-émettant des photons dont la longueur d'onde correspond exactement à la différence d'énergie E ₂-E ₁. À la sortie du ballon, l'onde émergente est atténuée (à cause du phénomène d'absorption) et on observe une émission spontanée produite dans toutes les directions.

Dans un article publié en 1917, Albert Einstein introduit un troisième processus : l'émission stimulée. Il s'agit du processus inverse de l'absorption, se produisant, comme elle, en présence de rayonnement incident résonant avec la fréquence de transition des atomes.

Lors de l'émission stimulée, figure 5, un photon d'énergie hν induit la désexcitation d'un atome du niveau 2 vers le niveau 1. Celle-ci s'accompagne de l'émission d'un photon inducteur de même fréquence, même direction de propagation et même état de polarisation. Le faisceau incident de lumière " s'enrichit " en photons identiques pour venir créer une amplification de la lumière. Le photon créé par émission stimulée possède les mêmes propriétés que le photon " déclencheur " (fréquence, phase, direction de propagation, état de polarisation).

Cependant pour que le processus d'absorption ne cache pas le processus d'émission il est nécessaire qu'il y ait plus d'atomes dans l'état haut que dans l'état bas. Or, dans la matière les particules sont beaucoup plus nombreuses dans l'état fondamental que dans un état excité. Il a alors fallu trouver un moyen de renverser la tendance thermique pour obtenir, dans le milieu, plus de particules dans un état excité que dans un état fondamental, c'ést-à-dire réaliser une inversion de population.

Cela semblait irréalisable car le coefficient de probabilité de retombée spontanée des atomes A 2->1 est très grand : de 10 ⁶ à 10 ⁹ par seconde. Albert Einstein avait notamment montré que cette probabilité était proportionnelle au cube de la fréquence.

Finalement Charles Hard Townes a utilisé l'idée d'Eistein pour construire son premier appareil, en 1954. Il se sera passé presque 40 ans pour passer de l'imagination d'Einstein à la réalisation pratique de l'émission stimulée. Charles Townes travaillait sur la microscopie micro-onde des molécules à l'aide d'oscillateurs électroniques. Ainsi en passant de la lumière, c'est-à-dire des fréquences de 10 ⁶ Ghz, aux micro-ondes, fréquences de l'ordre du GHz, la probabilité de retombée spontanée des atomes se trouve divisée par un million au cube !

Charles Townes utilisait des molécules d'ammoniac pour réaliser une transition entre deux états E ₂ et E ₁ tels que E ₂ - E ₁ ≃ 1 μV

Le rapport entre les occupations des niveaux E ₂ et E ₁ est donné par la loi de Boltzmann :

Pour une temptérature T = 300°K et la constante de Boltzmann k = 8,61.10⁻³ eV/K, on trouve N ₂/N ₁ ≃ 0,98. C'est-à-dire qu'il disposait environ d'autant de molécules dans l'état E ₂ que dans l'état E ₁.

Toute l'astuce de son appareil résidait dans le fait que les atomes dans les niveaux d'énergie E ₁ et E ₂ n'ont pas le même moment dipolaire électrique. Il a proposé de créer un gradient de champ électrique afin que les atomes dans ces deux niveaux d'énergie ne soient pas déviés de la même façon, figure 6. Il a choisi de dévier les atomes qui se trouvent dans le niveau E ₁ contre une paroi refroidie à l'azote liquide, pour les solidifier. Les atomes dans l'état E ₂ étaient, par contre, dirigés vers un orifice pour venir tomber dans un guide d'onde, dans lequel se trouvait l'onde incidente. Par la suite, l'onde radar émise ressortait amplifiée. Charles Townes a appelé son appareil Microwave Amplifiery by Stimulated Emission of Radiation.

Charles Townes a ensuite réfléchi à la manière de transposer son appareil utilsant les micro-ondes à des fréquences plus grandes. En 1958 il publie, avec son nouveau collaborateur Arthur Schawlow, un article qui présente une nouvelle idée pour réaliser l'inversion de population : le pompage optique. Charles Townes avait bénéficié, en 1955, d'une année sabatique au cours de laquelle il avait passé plusieurs mois dans un laboratoire de l'ENS de la rue d'IUlm à Paris avec Albert Kastler. Dans ce laboratoire, Albert Kastler utilisait le pompage optique pour orienter le moment magnétique d'atomes avec de la lumière polarisée.

Les électrons d'un atome possèdent deux états quantiques, un spin up et un spin down. Ils n'ont pas la même énergie, on décrit ainsi deux niveaux d'énergie magnétique. À l'aide de la lumière polarisée Albert Kastler arrivait à transmettre de la rotation aux atomes. Il était ainsi capable de faire passer les atomes d'un niveau d'énergie à un autre en utilisant une sorte de pompage optique.

Charles Townes avait eu le préssentiment qu'il était possible de généraliser le pompage optique pour fabriquer le LASER.

Le schéma de gauche, figure 8, correspond au fonctionnement du premier LASER fabriqué en 1960 par Théodore Maiman. Il était réalisé à l'aide d'un rubis dopé avec des ions Chrome.

Le pompage est déclenché par un flash de lumière blanche. Les radiation jaunes, vertes et violettes du flash sont absorbée par les ions Chrome qui changent de niveau d'énergie. On a donc une très grande partie du spectre de la lumière blanche qui est utilisée pour faire monter les atomes dans des niveaux électroniques plus élevés (le continuum).

Grâce à la largeur de bande offerte par le cristal dopé, seul 10% de la lumière blanche suffit à réaliser l'inversion de population. Les atomes dans le continuum redescendent spontanément par échange d'énergie avec les vibrations thermiques dans le cristal jusqu'à se retrouver très rapidement dans le bas de la bande d'énergie. C'est de cette manière qu'est réalisée l'inversion de population.

Le rubis est un cas particulier, pour la pluspart des LASER, l'inversion de population est réalisée entre un niveau très excité et un niveau excité plus bas qui n'est pas l'état fondamental (figure 8, exemple du LASER à 4 niveaux ou du LASER accordable).

Par la suite les LASER sont devenus accordables grâce à de nouveaux colorants élaborés par les chimistes afin de faire varier les longueurs d'onde.

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Histoire et principe de fonctionnement du MASER et du LASER

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Résumé L'histoire du LASER commence dans les années 1800 avec la modification du concept de la lumière. En 1801, Thomas Young remet en question l'interprétation corpusculaire de la lumière. Grâce à sa célèbre expérience des fentes d'Young il met en évidence le comportement ondulatoire de la lumière.

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laser pointeur prend la forme d'un microscope

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Expérience: laser pointeur prend la forme d'un microscope ?

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laser pointeur prend la forme d'un microscope

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http://www.toutestquantique.fr pour d'autres animations et explications sur la physique quantique. realisation Data-Burger, conseiller scientifique: J. Bobroff, avec le soutien de : Univ. Paris Sud, SFP, Triangle de la Physique, PALM, Sciences à l'Ecole, ICAM-I2CAM copyright Bobroff 2012

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Complet

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Découvrez via une animation vidéo ce qu'est un laser et les conditions pour fabriquer un laser.

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Sujets

Description

Créer un laser en pompant la chambre avec un faisceau de photons. Gérer les états d'énergie des atomes du laser pour contrôler sa production.

Echantillon d'objectifs d'apprentissage

Décrivez comment fonctionne l'absorption et l'émission spontanée de stimulée, et expliquer ce qui est nécessaire pour que chacun se produise.

Décrivez comment fonctionne un laser.

Expliquer les exigences d'émission laser en termes d'intensité et de longueur d'onde de la lampe, de réflectivité du miroir, et de durée de vie des états excités de l'atome.

Dépanner un laser cassé.

Présentation des contrôles des sims, simplifications des modèles, et un aperçu de la réflexion des élèves ( PDF ).

Activités soumises aux enseignants

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Créer un laser en pompant la chambre avec un faisceau de photons. Gérer les états d'énergie des atomes du laser pour contrôler sa production. Décrivez comment fonctionne l'absorption et l'émission spontanée de stimulée, et expliquer ce qui est nécessaire pour que chacun se produise. Décrivez comment fonctionne un laser.

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animations quantiques : Dualité Onde-particule

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Lumière : onde ou particule ? - Physique-Chimie - Terminale - Les Bons Profs