Transferts
quantiques d'�nergie.
Concours kin� Assas 2015
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A
la diff�rence des lampes classiques, les lasers �mettent un faisceau
lumineux tr�s directif et intense dont la lumi�re est monochromatique
et coh�rente. Cette lumi�re produite par amplification, utilise
l'�mission stimul� de rayonnement. Il est n�cessaire de r�aliser cette
op�ration pr�alable d'inversion de population des mol�cules de gaz (
milieu actif ) confin�es dans la cavit� laser.
Les photons �mis par �mission stimul�e dans la cavit� sont s�lectionn�s
selon une seule direction de propagation ; ils se r�fl�chissent sur les
miroirs et initient d'autres �missions stimul�es. En moyenne 1% du
nombre total de photons ayant frapp�s un miroir semi-r�fl�chissant s'en
�chappent.
Le laser � CO2
est constitu� d'une cavit� contenant un m�lange de dioxyde de carbone
et de diazote. Ce dernier est utilis� pour r�aliser l'inversion de
population. Une fois excit�es, les mol�cules de diazote c�dent leur
�nergie aux mol�cules de dioxyde de carbone en les portant dans un �tat
vibratoire d'�nergie E2. Les mol�cules de dioxyde de carbone peuvent alors donner lieu � l'�mission stimul�e.
1 eV = 1,60 10-19 J ; c = 3,00 108 m/s ; h = 6,63 10-34 Js.
Quel est l'int�r�t de l'inversion de population des mol�cules de CO2 ? De quelle fa�on l'inversion de population est-elle r�alis�e dans la cavit� laser ?
Il y aura amplification si les atomes sont plus nombreux � �tre dans un
�tat �nerg�tique "haut" ( susceptible d'�mettre ) que dans un �tat
�nerg�tique "bas" ( susceptible d'absorber ). Mais � l'�quilibre
thermodynamique l'�tat bas reste le plus peupl�. Pour maintenir
l'inversion de population, il est n�cessaire de fournir en permanence
de l'�nergie : c'est le pompage optique.
Un apport d'�nergie ( par d�charge �lectrique) fait passer un
grand nombre de mol�cules de diazote dans un �tat excit� dit m�tastable
qui ont une grande dur�e de vie. Puis il y a transfert d'�nergie de
collision entre le diazote et le dioxyde de carbone.
Indiquer par une fl�che la transition d'�nergie correspondant � l'inversion de population.
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La transition traduisant l'inversion de population est-elle de nature �lectronique ou vibratoire ?
Cette transition est de nature �lectronique. Les photons correspondants
sont dans le domaine visible ou UV. (dans l'IR pour les lasers � CO2 : dans ce cas il s'agit de transitions vibratoires ).
A quel type de transfert d'�nergie correspond cette transition d'�nergie ?
Il s'agit d'une absorption d'�nergie par les mol�cules ou les atomes.
Indiquer par une fl�che la transition d'�nergie de nature vibratoire responsable de l'effet laser.
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Calculer en eV, la variation d'�nergie associ�e � l'�mission de la radiation laser de longueur d'onde l = 9,6 �m.
DE = h c / l = 6,63 10-34 *3,00 108 / (9,6 10-6) =2,0719 10-20 J.
2,0719 10-20 /(1,60 10-19) =0,12949 ~0,129 eV.
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