Transferts quantiques d'énergie. Concours kiné Assas 2015

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A la différence des lampes classiques, les lasers émettent un faisceau lumineux très directif et intense dont la lumière est monochromatique et cohérente. Cette lumière produite par amplification, utilise l'émission stimulé de rayonnement. Il est nécessaire de réaliser cette opération préalable d'inversion de population des molécules de gaz ( milieu actif ) confinées dans la cavité laser.
Les photons émis par émission stimulée dans la cavité sont sélectionnés selon une seule direction de propagation ; ils se réfléchissent sur les miroirs et initient d'autres émissions stimulées. En moyenne 1% du nombre total de photons ayant frappés un miroir semi-réfléchissant s'en échappent.

Le laser à CO2 est constitué d'une cavité contenant un mélange de dioxyde de carbone et de diazote. Ce dernier est utilisé pour réaliser l'inversion de population. Une fois excitées, les molécules de diazote cèdent leur énergie aux molécules de dioxyde de carbone en les portant dans un état vibratoire d'énergie E2. Les molécules de dioxyde de carbone peuvent alors donner lieu à l'émission stimulée.
1 eV = 1,60 10-19 J ; c = 3,00 108 m/s ; h = 6,63 10-34 Js.
Quel est l'intérêt de l'inversion de population des molécules de CO2 ? De quelle façon l'inversion de population est-elle réalisée dans la cavité laser ?
Il y aura amplification si les atomes sont plus nombreux à être dans un état énergétique "haut" ( susceptible d'émettre ) que dans un état énergétique "bas" ( susceptible d'absorber ). Mais à l'équilibre thermodynamique l'état bas reste le plus peuplé. Pour maintenir l'inversion de population, il est nécessaire de fournir en permanence de l'énergie : c'est le pompage optique.
Un apport d'énergie ( par décharge électrique)  fait passer un grand nombre de molécules de diazote dans un état excité dit métastable qui ont une grande durée de vie. Puis il y a transfert d'énergie de collision entre le diazote et le dioxyde de carbone.
Indiquer par une flèche la transition d'énergie correspondant à l'inversion de population.






La transition traduisant l'inversion de population est-elle de nature électronique ou vibratoire ?
Cette transition est de nature électronique. Les photons correspondants sont dans le domaine visible ou UV. (dans l'IR pour les lasers à CO2 : dans ce cas il s'agit de transitions vibratoires ).
  A quel type de transfert d'énergie correspond cette transition d'énergie ?

Il s'agit d'une absorption d'énergie par les molécules ou les atomes.

Indiquer par une flèche la transition d'énergie de nature vibratoire responsable de l'effet laser.

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Calculer en eV, la variation d'énergie associée à l'émission de la radiation laser de longueur d'onde l = 9,6 µm.
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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