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POMPAGE OPTIQUE

Le pompage optique est un procédé qui permet de changer d'une manière appréciable les valeurs des populations des états quantifiés des atomes, des molécules et des ions (on désigne par le mot « population » le nombre d'atomes dans un état quantique donné). On peut ainsi créer une distribution de population très différente de la distribution d'équilibre thermique et maintenir un état permanent de cette nouvelle distribution. En irradiant une assemblée d'atomes avec une lumière monochromatique dont la fréquence correspond à une raie d'absorption de l'atome à partir de l'état fondamental (raie de résonance), on peut peupler un niveau excité donné et changer la répartition de population entre les états de structure hyperfine et les états Zeeman de l'état fondamental. On est amené à employer une radiation incidente convenablement polarisée pour modifier la population des états Zeeman.

Dans cet article, après avoir rappelé quelques notions fondamentales relatives aux niveaux d'énergie des atomes, on s'intéressera au mécanisme du pompage optique dans le cas particulier de l'atome de sodium, et on rappellera les applications des techniques du pompage optique aux différents domaines de la physique, en renvoyant, pour plus de précisions, le lecteur à l'article lasers.

Répartition entre niveaux d'énergie

L'état énergétique d'une assemblée comprenant un grand nombre d'atomes identiques peut être caractérisé par leur répartition entre les différents niveaux d'énergie : N1 est le nombre des atomes qui se trouvent à l'état E1, et, d'une façon générale, Nn est le nombre d'atomes dans un état d'énergie En. On dit que Nn est la population de l'état En.

Lorsque le milieu auquel appartiennent les atomes est à l'état d'équilibre thermique à une température donnée T, les populations Nn des différents états En obéissent à la loi de Boltzmann, soit Nn proportionnel à exp(− En/kT), où k est la constante de Boltzmann égale au quotient de la constante R des gaz parfaits par le nombre d'Avogadro N :

(la constante k a les dimensions d'une énergie divisée par une température ; elle est ici exprimée en joule par kelvin).

Plus l'état d'énergie est élevé (En grand), plus la population correspondante Nn est faible.

L'état d'énergie le plus bas, E1, s'appelle l'« état fondamental de l'atome » ; les autres états d'énergie s'appellent les « états excités ». La relation de Boltzmann peut se mettre sous la forme :

Sous cette forme, elle permet de comparer directement la population d'un état excité En à celle de l'état fondamental E1.

Lorsque la différence d'énergie ΔEn est très supérieure à kT (soit ΔEn >> kT), la population Nn est pratiquement négligeable par rapport à celle de l'état fondamental ; en outre, lorsqu'il en est ainsi pour tous les états En, tous les atomes se trouvent dans l'état fondamental à l'équilibre thermique, et les états excités sont vides.

Au contraire, quand il existe des états En proches de l'état fondamental (ΔEn de l'ordre de kT), leur population est importante, et, dans le cas où ΔEn ⪡ kT, ils sont aussi peuplés que l'état fondamental.

Si une assemblée d'atomes est perturbée et mise dans un état différent de l'état d'équilibre thermique (par exemple, par une décharge électrique au sein du gaz ou par une irradiation optique), les processus de relaxation ont toujours tendance à rétablir l'état d'équilibre thermique. Lorsqu'ils interviennent seuls, le système se maintient à l'équilibre thermique.

En général, à un changement de structure électronique d'un atome par rapport à l'état fondamental correspond une variation d'énergie[...]

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Écrit par

  • : membre de l'Académie des sciences, Prix Nobel de physique

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Structure Zeeman

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Signal transitoire de l'intensité lumineuse en fonction du temps au cours du pompage optique

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Résonance magnétique nucléaire de l'isotope 199 du mercure

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Autres références

  • KASTLER ALFRED (1902-1984)

    • Écrit par Bernard CAGNAC
    • 837 mots
    • 1 média

    Physicien français, né le 3 mai 1902 à Guebwiller (alors en Allemagne), professeur à l'université de Paris et à l'École normale supérieure (ENS), Alfred Kastler a obtenu le prix Nobel de physique en 1966 pour « la découverte et le développement de méthodes optiques dans l'étude des résonances hertziennes...

  • LASERS

    • Écrit par Yves LECARPENTIER, Alain ORSZAG
    • 10 742 mots
    • 4 médias
    On doit au physicien français Alfred Kastler d'avoir imaginé, en 1949-1950, une méthode, le« pompage optique », qui permet de réaliser cette condition. Cette méthode fait appel à des atomes dont les premiers niveaux sont tels (fig. 1d) que la probabilité de retombée de E2 vers E1 soit...
  • MASER

    • Écrit par Maurice ARDITI, Claude AUDOIN
    • 2 300 mots
    • 2 médias
    ...hyperfine des isotopes de masse atomique 85 et 87 du rubidium, à 3 035,732 MHz et à 6 834,682 MHz, respectivement. L'inversion de population est obtenue par pompage optique, dans une cellule contenant de la vapeur de rubidium. Ces oscillateurs à vapeurs alcalines pompées optiquement ont une très bonne stabilité...
  • TÉLÉCOMMUNICATIONS - Histoire

    • Écrit par René WALLSTEIN
    • 18 724 mots
    • 24 médias
    ...comporte quatre paires de fibres optiques, met en œuvre la technique du multiplexage des longueurs d'onde et comporte des répéteurs entièrement optiques (utilisant la technique du pompage optique qui permet d'amplifier le signal lumineux directement, sans passer par une conversion en signal électrique intermédiaire)...

Voir aussi