Sources de radiations électromagnétiques dans le visible


On appelle source lumineuse primaire tout ce qui produit effectivement de la lumière par soi-même. À ne pas confondre avec les corps qui réfléchissent ou qui diffusent la lumière qui les frappent et qui constituent des corps éclairés : sources lumineuse secondaires (Lune, etc.)


Corps chauds qui émettent un spectre continu

Le phénomène s'appelle aussi "incandescence".

Incandescence : État d'un corps qui porté à haute température émet de la lumière. La production de lumière est apportée par agitation thermique des molécules, atomes et autres particules.
Soleil 5500°C en surface
Véga 14000°C en surface

Deux exemples classiques :

Lampes à incandescence :

constituée d'un filament spiralé de tungstène porté entre 2400 et 2800°C dans un atmosphère de krypton, d'argon qui sont des gaz qui ne réagissant pas avec le tungstène. Le gaz évacue vers les parois en verre la chaleur (convection, conduction 30% de l'énergie électrique consommée) mais il diminue le taux de vaporisation du filament.
La pression est de 0,5 bar au repos et passe à 1 bar en fonctionnement.
Le rendement lumineux n'est que de 5% dans le visible, l'infrarouge dissipant 65 % de l'énergie.
L'efficacité lumineuse : /P = flux lumineux recueilli (lumens sur puissance consommée (watt) = 15 lm/W.
L'intérêt du tungstène est sa haute température de fusion (3380 °C) ce qui permet de fournir une lumière relativement blanche.

Lampe à halogène :

L'ampoule est en quartz pour éviter le ramollissement du verre par augmentation de la température. Elle contient de l'iode (ou du brome), ce qui permet aux atomes de tungstène de se redéposer sur le filament. Le tungstène évaporé est ainsi recyclé (augmentation de 2 fois la durée de vie). WI2, très volatil, se dissocie pour donner W qui se redépose aux points les plus chauds du filament. Pour éviter les points froids, l'ampoule est proche du filament.
On constate une accroissement de l'efficacité lumineuse : une lampe halogène de 500 W à même efficacité qu'une ampoule à incandescence de 1250W.

En tension normale :

En basse tension :

Sécurité électrique
Éviter le contact des graisses sur l'ampoule de quartz car la silice vitreuse cristallise puis se brise au refroidissement quand elle est en contact prolongé avec des graisses.

Explication physique du phénomène

L'explication est fondée sur le rayonnement du corps noir que la physique classique de la fin du 19ème siècle ne permettait d'expliquer. Au début du 20ème l'introduction par Planck de la notion de quantum permettra de résoudre l'énigme du corps noir et mettra sur rails la mécanique quantique.

Corps noir

Corps qui absorbe toute l'énergie qu'il reçoit . En équilibre thermique, la quantité d'énergie qu'il rayonne est égale à celle qu'il reçoit.
Un idée d'un corps noir : un four aux parois totalement noires dans lequel est pratiqué un petit orifice.
Densité spectrale de puissance d : taux d'énergie rayonnée par un corps noir par unité de surface pour des longueurs d'ondes comprise entre  l et l +Dl.


Figure 1 : Courbe de distribution spectrale du rayonnement d'un corps noir

Loi de Wien

Elle relie la température à la longueur d'onde moyenne du spectre continu émis : T lm = 2,9.10-3 K.m
Quelques données :

T = 293 K    lm = 0,01 nm
T = 4460 K   lm = 650 nm
T = 5250 K   lm = 555 nm
T = 10000 K  lm = 300 nm

La surface du Soleil est à 5800 K ce qui correspond à une longueur d'onde moyenne du spectre de 500 nm. 8% de son rayonnement est émis dans l'UV, 41 % dans le visible et 51% dans l'IR.

Loi de Stephan - Boltzmann

Tout corps porté à une température T rayonne de l'énergie.
La puissance émise par une source de surface A est :  P = e s T4
s = constante de Stephan : = 5,67 10-8 W.m2.K-4
e = émissivité, qui dépend de la nature du corps : 0 < e < 1 (corps noir)


Décharges dans les gaz : formation de spectres de raies caractéristiques de l'atome considéré.

L'excitation des électrons des couches périphériques des atomes est provoquée par collision avec d'autres atomes, par élévation de température ou en interagissant avec la lumière. En se désexcitant, les atomes émettent des longueurs d'ondes bien déterminée. C'est la l'interprétation de l'analyse spectrale qui date de 1861.

L'énergie d'un atome est quantifiée.

L'atome formé de son noyau et de ses électrons, constitue un système " lié ". L'énergie d'un atome ne peut prendre que des valeurs " discrètes ", dépendant uniquement de l'élément considéré. 
Par exemple, pour l'hydrogène, le nombre quantique principal n est associé à un niveau d'énergie. La référence est prise quand l'électron est à l'infini du noyau : l'atome est alors ionisé.

Nombre quantique principal  Énergie (eV)
1 -13,6
2 -3,40
3 -1,51
4 -0,85

5

-0,54

Figure 2 : Les premiers niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène.

Figure 3 : Les différentes séries spectrales de l'atome d'hydrogène. 
La série de Balmer correspond à l'émission dans le visible par retour
vers l'état de niveau n =2.

En se désexcitant, il y a émission spontanée d'un rayonnement électromagnétique d'énergie :
D
E = hn = Ei - Ef
Cette émission de lumière se produit de façon incohérente (sans relation de phase entre eux) car les atomes sont indépendants les uns des autres.
Attention, certaines transitions sont interdites : il faut l = ±1 où l est nombre quantique secondaire (orbital).
On obtient un spectre de raies.


Figure 4 : Spectre de raies de l'atome d'hydrogène

Le peuplement des niveaux d'énergie

Considérons deux niveaux d'énergie d'un même élément dont les atomes sont en équilibre thermique à la température T.
En 1872, Ludwig Boltzmann a donné une expression permettant de connaître le rapport entre les électrons situés sur chaque niveau :
où la constante de Boltzmann kB = 1,38.10-23 J.K-1
Si l'on considère E2 > E1 et comme T > 0 ==> N2 < N1
A la température ordinaire (293 K), le calcul montre que la quasi totalité des atomes sont au niveau de plus basse énergie. Les niveaux d'énergie les plus élevés sont donc les moins peuplés ; ce qui est en cohérence avec la règle de stabilité.

Exemples de sources

Tubes luminescents

Les tubes luminescents (Na, He, Zn, etc.) utilisent les décharges dans les gaz. Cela nécessite une forte tension électrique excitatrice, de faibles pressions dans l'ampoule (quelques mm de Hg). Pour le sodium, on utilise des pressions plus hautes pour obtenir une lumière plus observable. Cette lampe est de plus remplie avec du néon et de l'argon pour amorcer la décharge et provoquer la fusion du sodium (98°C).
La couleur apparente dépend de la combinaison et des intensités respectives des raies :

Nature du gaz Couleur (et longueurs d'ondes émises)  
Argon bleu  
Néon rouge

Hélium jaune rosé

Krypton lavande

Mercure bleu (628,4 nm, 615,2 nm, 579-577 nm,546,1 nm, 502,5 nm)

Sodium jaune (589,3 nm)

Hydrogène (653,3 nm, 486,1 nm, 434 nm, 410,1 nm)  


Tubes fluorescents

Éclairage public : tube à vapeur de mercure basse pression (253,7 nm) qui rayonne dans l'UV. Ce rayonnement excite la fluorescence de poudres qui recouvre les parois interne de l'ampoule.


Étude de


L'émission laser

L'émission stimulée

Le paragraphe précédent indique qu'un photon incident a manifestement beaucoup de chance de provoquer une excitation de l'atome. Mais, cette situation va à l'encontre de la loi statistique de Boltzmann ; c'est pourquoi, l'électron retombe très rapidement (fluorescence 10-8s) à son niveau fondamental. Qui plus est, cette émission spontanée se déroule sans influence extérieure, indépendamment de ce qui se passe pour les atomes voisins. C'est pourquoi les sources lumineuses ordinaires fournissent de la lumière dite incohérente.
Les lasers sont des sources qui émettent de la lumière par émission stimulée (ou induite). Contrairement à l'émission spontanée, l'émission induite est provoquée par l'interaction avec un rayonnement incident.


Figure 5 :Pendant une émission stimulée, le photon incident provoque l'apparition d'un photon identique.

Lorsqu'un électron de l'atome occupe le niveau E2, l'impact d'un photon d'énergie E2- E1 peut déterminer sa transition stimulée vers le niveau inférieur E1 avec émission d'un second photon de même énergie Ainsi, avec un photon incident, on obtient deux photons identiques.
Comme l'onde incidente produit dans le milieu une nouvelle émission de lumière, ces sources se comportent comme des amplificateurs de lumière.
Le mot laser vient de là : " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ".
Mais pour que l'amplification puisse se maintenir, il faut que l'émission stimulée soit plus forte que l'absorption. Nous allons voir que cela exige que la population N2 soit plus grande que N1.

L'inversion de population

La relation de Boltzmann indique malheureusement le contraire ! Sauf si l'on opère à haute température… ce qui n'est guère pratique ! Imaginez le lecteur laser de CD fonctionnant sous 100000 °C !
De plus, en règle générale, quand N2 est inférieur à N1, l'onde incidente est absorbée et son intensité décroît exponentiellement avec la longueur de matière traversée.
Cette décroissance est traduite par une relation de la forme : I = I0 exp(-µl)
où  µ est le coefficient d'atténuation linéique ( µ > 0)
On pourrait montrer que ce coefficient est proportionnel à (N1 - N2).

On va donc chercher une façon d'inverser le peuplement des populations de sorte que N2 soit supérieure à N1.
Le coefficient devient alors négatif et l'intensité I de l'onde stimulée sera plus forte que celle, I0, de l'onde incidente. On dit qu'il y a amplification de lumière et le milieu devient actif.

Le pompage optique

Pour arriver à ces fins, on amène , par un dispositif électrique ou optique, les électrons des atomes sur un 3ème niveau E3 légèrement supérieur à E2.
La grande chance est que certains de ces niveaux E2 soient métastables. Cela signifie que leur durée de vie très longue : ils y restent environ 100 millions de fois plus longtemps que sur le niveau E3. En effet, toute transition de ces niveaux vers un niveau inférieur est en principe interdite par des règles de sélection.
Ces niveaux métastables vont permettre de réaliser cette inversion et cette opération s'appelle le pompage optique.


Figure 6 : Le réservoir de photons stimulés est en fait un état métastable.


Le niveau 3 " nourrit " ainsi le niveau 2 par transition sans rayonnement. La population du niveau 2 finit par être plus nombreuses que la population du niveau 1 : on a réalisé une inversion de population.
Un photon incident a maintenant plus de chance de produire une émission (stimulée) que d'être absorbé. Un petit nombre de photons d'énergie hn1 = E2 - E1 peut alors déclencher une émission en avalanche de photon de même fréquence.
L'intensité de la lumière incidente va augmenter au lieu de diminuer : il y a bien eu amplification de lumière.

La cavité optique ou résonateur

L'amplification (c'est-à-dire le processus d'émission stimulée) est considérablement augmentée si l'on impose aux ondes émises de traverser plusieurs fois le milieu actif. En effet, cela multiplie artificiellement les rencontres entre les photons et les atomes excités.
Voici comment cela est réalisé.
Les photons sont émis dans une cavité limitée par deux surfaces réfléchissantes dont l'une laisse passée quand même une faible proportion de lumière (1%).
Dans cette cavité, le rayonnement réalise un grand nombre d'aller-retour : il s'y établit une onde stationnaire de fréquence 1 qui stimule les atomes du milieu émetteur.
Au fur et à mesure du parcours, le nombre de photons créés est tel qu'il dépasse ceux perdus par réflexion et diffraction. La cavité résonne d'elle-même.

Figure 7 : Les extrémités du laser sont des surfaces réfléchissantes. Les photons y effectuent de nombreux va-et-vient. Si, initialement, les photons stimulés sont émis dans toutes les directions, seuls ceux qui se déplacent perpendiculairement aux miroirs deviennent plus nombreux. La lumière du laser sort par un miroir très légèrement transparent.


Comme seules les ondes perpendiculaires aux miroirs reviennent sur elles-mêmes en contribuant à l'amplification, le laser va émettre par la face de sortie un faisceau cohérent extrêmement délimité et dont la bande passante est très étroite.
La divergence très faible du faisceau développe une puissance élevée dans un petit volume.

Le laser à rubis

C'est T.H. Maiman qui conçut et fit fonctionner le premier laser à rubis en 1960.
La teinte rouge des rubis (Al2O3) est due à de petites inclusions d'ions chrome III (Cr3+). C'est cet élément qui est responsable de l'émission laser.
On se sert de trois niveaux d'énergie représentés sur la figure ci-dessous.


Figure 8 : Niveaux d'énergie dans un laser à rubis.

On place un bâtonnet de cristal de rubis à l'intérieur d'un tube à décharge en forme de serpentin. Un éclair (à 550nm environ) dans ce tube fait monter les électrons du niveau E1 au niveau E3. Leur retour en E2 est rapide. Par contre l'état E2 étant métastable, le retour à l'état E1 ne se fera que par émission stimulée.

Le laser à gaz (He / Ne)

C'est la même année (1960) que A . Javan et les membres de son laboratoire firent fonctionner le premier laser à gaz. Il contenait un mélange d'hélium (He) et de néon (Ne) dans un tube à décharge.
Les collisions entre les électrons et les atomes font passer les atomes d'hélium dans un état métastable d'énergie E1 = 20,61 eV au dessus du niveau fondamental. Par collision avec des atomes de néon cette énergie leur est transférée. Or, il se trouve que le néon possède un niveau d'énergie très proche de celui de l'hélium (à 20,66 eV) ; la petite différence d'énergie qui manque (0,05 eV) provient de l'énergie cinétique des atomes d'hélium.
Même si des collisions avec des électrons permettent aussi de peupler ce niveau E2 du néon, les atomes d'hélium apportent une aide non négligeable au pompage optique.

Figure 9 : Les quatre niveaux d'énergie d'un laser hélium néon.

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