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Le laser Erbium-Yag d'après DTS IMRT 2009
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Le laser à trois niveaux, Erbium-YAG est utilisé en chirurgie esthétique et en chirurgie correctrice des yeux. Dans ce laser le milieu amplificateur est solide. La matrice est un cristal de YAG ( grenat d'yttrium et d'aluminium) dopé en ions Erbium Er3+ ( dont les niveaux d'énergie sont représentés ci-dessous). Ils sont le siège de transitions de pompage optique et d'émission stimulée. La longueur d'onde la mieux adaptée au pompage du barreau Er-YAG est de 980 nm. La longueur d'onde du rayonnement Laser émis vaut 2936 nm.
Représenter sur la figure la transition de pompage optique.
Décrire le phénomène d'émission stimulée entre le niveau E2 et E1. Quels sont les caractéristiques du photon émis ? On peut aussi favoriser la désexcitation d’un électron en envoyant sur l’atome excité une lumière ( onde électromagnétique) dont la longueur d’onde correspondant à l’énergie de transition entre les deux états électroniques. On appelle ce phénomène l’émission stimulée (ou émission induite). Il y a amplification si les atomes sont plus nombreux à être dans l'état n' ( atome excité susceptible d'émettre) que dans l'état n (susceptible d'absorber) : il est nécessaire d'avoir une « inversion de population ». L’émission stimulée d’un atome ou d’une molécule donne un nouveau photon qui a exactement les mêmes fréquence, phase et direction que le photon incident ; dans un laser, cela se fait sur un très grand nombre d’atomes ou molécules identiques. Un laser émet une onde lumineuse intense dont la direction, la fréquence et la phase sont très bien déterminées. ( lumière cohérente).
Emission spontanée : un atome excité revient à un état de moindre énergie ( par exemple l'état fondamental) en émettant un photon. Celui-ci est émis dans une direction quelconque à une date quelconque. Comment qualifier la transition E3-->E2 ? Transition non radiative ( désexcitation rapide vers le niveau 2 ) Le niveau 2 doit être capable de stocker les atomes : l'émission spontanée doit y être peu probable. Calculer l'écart énergétique ( eV) entre les niveaux E1 et E3. " La longueur d'onde la mieux adaptée au pompage du barreau Er-YAG est de 980 nm " E= hc/l = 6,63 10-34 * 3,00 108 / (980 10-9) = 2,03 10-19 J 2,03 10-19 /1,60 10-19 = 1,268 ~ 1,27 eV. Dans quel domaine du spectre électromagnétique émet ce laser Er-Yag ? La longueur d'onde du rayonnement Laser émis vaut 2936 nm, soit 2,936 µm ( domaine IR ). Calculer l'écart énergétique entre les niveaux E2 et E1. E= hc/l = 6,63 10-34 * 3,00 108 / (2936 10-9) = 6,774 10-20 J 6,774 10-20 /1,60 10-19 = 0,4234 ~ 0,423 eV. Pourquoi faut-il un système de refroidissemnt à eau dans ce laser ? Il faut évaquer la chaleur produite dans le cristal, énergie libérée dans le cristal lors de la désexcitation non radiative E3--> E2.
Ce laser émet des impulsions avec une cadence de tir de fréquence f = 10 Hz ( 10 impulsions par seconde ). Chaque impulsion a une durée t = 0,20 ms et une énergie E = 300 mJ. Calculer le nombre de photons émis par impulsion, sachant que chaque photon a une énergie Ephoton = 6,76 10-20 J. Energie fournie par impulsion : 300 mJ = 0,3 J. Nombre de photons émis : 0,3 / 6,76 10-20 =4,44 1018 photons. Calculer la puissance lumineuse d'émission d'une impulsion. Puissance ( W) = énergie (J) / durée (s) = 0,3 / (0,20 10-3) = 1,5 103 W.
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