L'inversion de population

Le problème : amplifier plutôt qu'absorber

L'émission stimulée clone les photons — parfait. Mais il y a un obstacle. Dans un gaz ordinaire, il y a bien plus d'atomes dans l'état bas que dans l'état haut. Un photon a donc beaucoup plus de chances d'être absorbé (par un atome bas) que de déclencher une émission stimulée (par un atome haut).

   Situation normale (equilibre) :

   E2 :  o                    (peu d'atomes en haut)
   E1 :  o o o o o o o o      (beaucoup d'atomes en bas)

   -> un photon rencontre surtout des atomes BAS -> il est ABSORBE
   -> pas d'amplification, au contraire : la lumiere s'eteint

Pour que l'émission stimulée l'emporte sur l'absorption, il faut renverser la situation : avoir plus d'atomes en haut qu'en bas. C'est l'inversion de population.

   Inversion de population (etat "anormal") :

   E2 :  o o o o o o o o      (beaucoup d'atomes en HAUT)
   E1 :  o                    (peu en bas)

   -> un photon rencontre surtout des atomes EXCITES
   -> emission stimulee dominante -> AMPLIFICATION

Le pompage

Cet état inversé n'est pas naturel (les atomes tendent à retomber) : il faut le maintenir de force en injectant continuellement de l'énergie pour ré-exciter les atomes. C'est le pompage — optique (une lampe, un autre laser) ou électrique (une décharge).

   energie de pompage
        |||||||
        vvvvvvv
   [ milieu amplificateur ]  -> maintenu en inversion de population

Pourquoi deux niveaux ne suffisent pas

Subtilité importante : avec seulement deux niveaux, on ne peut pas obtenir d'inversion durable. En pompant, on excite des atomes vers E2, mais le même pompage provoque autant d'émissions stimulées vers E1 : au mieux, on égalise les deux populations, jamais on ne les inverse.

La solution réelle utilise trois ou quatre niveaux, avec un niveau intermédiaire métastable (où les atomes restent piégés relativement longtemps avant de retomber). Les atomes s'y accumulent, ce qui crée l'inversion par rapport au niveau du bas :

   Systeme a 3 niveaux :

   E3  ----o----         pompage rapide vers E3
             \\ (chute rapide, non radiative)
   E2  --oooooo--  <- niveau METASTABLE : les atomes s'accumulent ici
             |            (inversion E2 > E1 obtenue !)
             | emission stimulee (la transition LASER)
             v
   E1  --o-------  niveau bas

Le niveau métastable joue le rôle de « réservoir » : les atomes y stagnent au lieu de retomber tout de suite, et leur nombre finit par dépasser celui du niveau bas. L'inversion est atteinte, et l'amplification devient possible.

En résumé

Pour que l'émission stimulée l'emporte sur l'absorption, il faut plus d'atomes excités qu'au repos : c'est l'inversion de population, un état « anormal » qu'on maintient par pompage (apport continu d'énergie). Deux niveaux ne suffisent pas ; on utilise un système à trois ou quatre niveaux avec un état métastable où les atomes s'accumulent, créant l'inversion. C'est la condition indispensable pour amplifier la lumière.