Atomes et molécules – Principes de l’émission laser Flashcards
1
Q
premiers travaux d’optique pratique réalisés par les anciens égyptiens et les babyloniens ?
A
les lentilles
2
Q
mathématicien et physicien arabe, qui a découvert la notion de rayon lumineux et la lois de la réfraction
A
Alhazen
3
Q
Qui a redécouvert la notion de rayon lumineux et lois de la réfraction en Europe?
A
Snell et Descartes au XVIIème siècle
4
Q
décrivez la lois de la refraction/réflexion
A
Un rayon arrivant sur une interface entre 2 milieux d’indices optiques différents donne naissance à 2 rayons : un rayon transmis et un rayon réfléchi
5
Q
décrivez la théorie ondulatoire
A
La lumière est une vibration électromagnétique caractérisée par une longueur d’onde 𝞴 et une fréquence 𝜈,
telles que λ = C/ν
λ en m (nm pour l’optique visible), ν en Hz.
6
Q
vitesse de la lumière
A
C = 3.108 m.s-1
7
Q
décrivez la théorie corpusculaire
A
- La lumière est composée de particules appelés photons, de masse nulle et d’énergie quantifiée:
- E = h. ν
- avec E l’énergie en joules (J) et h la constante de Planck
8
Q
h la constante de Planck égal à?
A
6,626 × 10-34 m2.kg.s-1
9
Q
longueur de la lumière visible?
A
400 nm à 800 nm
10
Q
definition de la lumière visible
A
**la lumière visible par l’oeil humain correspond
aux longueurs d’onde dans le vide approximativement comprises entre 400 nm et 800 nm
- à chaque longueur d’onde correspond une “couleur”
11
Q
propriètés principales de l’onde életromagnétique
A
- est constitue par: un champ èlectrique et un champ magnétique
- oscille à une fréquence v, avec une période T ( v = 1/T)
- se propage dans le vide à la vitesse c = 300 000 km/s
12
Q
Quelle est la difference entre la longueur d’onde λ et période T?
A
- la longueur d’onde λ: c’est la distance entre deux crêtes consécutives d’une onde
C’est une mesure dans l’espace, dont de la périodicité spatiale - la période: c’est le temps nécessaire pour qu’un point de l’onde fasse un cycle complet (par exemple, le temps entre deux crêtes successives)
C’est une mesure dans le temps, dont de la périodicité temporelle
13
Q
Quelle est la formule qui relie la période T avec la longueur d’onde?
A
λ= cT= c/v
14
Q
Quelles sont les paramètres qui caractérisent une onde életromagnétique?
A
- la fréquence v = 1/T
- la vitesse de propagation v
- la longueur d’onde λ
15
Q
la fréquence n = 1/T est exprimée en..?
A
- Hz ou s-1 = nombre de périodes par seconde
16
Q
la vitesse de propagation v est exprimée en..?
A
- mètres par seconde ou ms-1
- dans le vide c = 3 108 ms-1 = 300OOO km/s
- dans un milieu matériel v = c/n toujours < c
- où n est l’indice de réfraction du milieu
17
Q
la longueur d’onde λ est exprimée en..?
A
- mètres
- mais pour le domaine optique (UV - visible – IR) usuellement en nanomètres (nm) ou micromètres (mm)
- 1nm = 10-9 m; 1mm = 10-6 m
18
Q
toutes les ondes électromagnétiques sont de même nature et ne diffèrent que par leur fréquence
V / F ?
A
Vrai
19
Q
écrivez les longueurs d’onde et les fréquences dans le domaine UV
( UVA, UVB, UVC, UV lointain)
A
▪ UVA : 320-380 nm
▪ UVB : 285-320 nm
▪ UVC : 200-285 nm
▪ UV lointain : 10-200 nm
20
Q
écrivez les longueurs d’onde et les fréquences dans le domaine visible
A
- longueurs d’onde : 380 à 780 nm
- fréquences : 4x10^14 à 7,5x10^14 Hz
21
Q
écrivez les longueurs d’onde et les fréquences dans le domaine infrarouge
A
- longueurs d’onde : 780nm à 1mm
- fréquences : 3x10^11 à 7,5x10^14 Hz
▪ proche IR : 780-1500 nm
▪ IR-B : 1500-3000 nm
▪ IR-C : 3000-10000 nm
22
Q
Le spectre visible
A
23
Q
de quoi est composée la lumière?
A
- de corpuscules appelées photons qui se propagent dans le vide à la vitesse c (Einstein, 1905)
- un photon de fréquence v et de longueur d’onde λ transporte l’énergie E
E = hν = hc/λ
- h = constante de Planck = 6,62 10-34Joules.s
- c = vitesse de la lumière dans le vide
24
Q
propriétés principales du photon
A
- le photon transporte une quantité d’énergie proportionnelle à la fréquence de l’onde qui lui est associée
25
**Longueur d’onde croissante = énergie du photon décroissante**
V / F ? (justifiez votre réponse)
Vrai
**E = hν = hc/λ**
26
donnez la définition de l'**absorption**
* **processus sélectif en terme de longueur d'onde**
* Transitions entre états d’énergie atomiques ou moléculaires
27
Sélon le modèle de Bohr de l’atome (1913) de quoi est constitué un atome?
* d’un noyau chargé positivement composé de protons et de neutrons
* d’électrons qui gravitent autour du noyau
28
Donnez la définition et les propriétes des **orbitrales**?
* Un électron décrit des **trajectoires circulaires stables de rayons bien définis autour du noyau** appelées **orbitales**
* A chacune de ces orbitales correspond une **énergie de l’électron bien définie**
* Plus le rayon de l’orbite est grand, plus l’énergie est importante
* Les électrons qui appartiennent à une même orbitale ont une énergie identique constante
29
Quand on dit que un **atome est dans l’état fondamental**?
* **En l’absence d’excitation extérieure, chacun des électrons se trouve sur son niveau d’énergie le plus bas possible**
30
donnez la définition des **transitions électroniques**
* **sauts discontinus d’une orbitale à une autre qui correspondent aux changements d’énergie d’un électron**
* L’électron ne peut donc exister que dans certains états d’énergie définis et discrets
31
Quand on dit que un atom est excité?
* Quand, à partir de l’état fondamental, **un apport d’énergie porte un électron à une orbitale d’énergie supérieure**
32
Décrivez les niveaux d’énergie électroniques d’un atome
33
Quand un atome peut absorber une énergie extérieure?
* Quand l'énergie fournì corresponde à la différence d’énergie ΔE entre deux niveaux
34
Qu'est-ce qu'il passe quand un atome absorbe une énergie extérieure?
* **Un des électrons périphériques passe alors sur une orbitale où l'énergie est plus grande**
* c'est à dire **sur une orbitale plus éloignée (orbitale vide)**
* Cet apport peut être fourni par un photon d’énergie E = hν = ΔE
35
éxpliquez la notion de la **sélectivité de
l’absorption**
* Seuls les photons dont l’énergie correspond exactement à la différence d’énergie ΔE entre deux niveaux peuvent être absorbés
36
donnez la définition de l'**émission**?
* c'est la **transition « descendante » entre 2 niveaux d’énergie électroniques**
37
comment et pourquoi s'est produit l'**émission spontanée**?
* L’atome dans un état excité est instable
* Il va très rapidement restituer l'énergie reçue et redescendre sur le niveau d’énergie inférieur en émettant un photon d’énergie E = hn = ΔE. C’est l’émission spontanée
* Le photon émis a même énergie et donc même longueur d’onde que le photon absorbé
38
* Le retour à l’état fondamental est très lent
V / F ?
**Faux**
rapide, 10-8 à 10-9 s
| Ceci explique les spectres de raies émis par les atomes
39
Que sont les molécules?
* Associations d'atomes entre eux pour former des molécules, édifices stables pouvant comporter de deux à plusieurs milliers d’atomes
40
définition du niveau rotationnel
**la molécule tourne autour de son centre de gravité**
41
définition du niveau vibrationnel
**les atomes vibrent les uns par rapport aux autres**
42
définition du niveau électronique
**configuration des électrons de la molécule**
43
Qu’est-ce que la vibration dans une molécule?
* La vibration moléculaire désigne les mouvements périodiques des atomes à l’intérieur d’une molécule
* Même si **les atomes** sont liés par des liaisons chimiques, ils ne restent pas complètement immobiles :
**ils vibrent autour de leur position d’équilibre**
44
Les molécules se comportent comme des ressorts.
Quels types de mouvements vibratoires sont possibles ?
45
décrivez la fréquence et l'énergie de vibration
* **la fréquence de vibration ne peut prendre que certaines valeurs bien définies : elle est quantifiée**
* l'énergie de vibration Ev est quantifiée, les niveaux Ev sont équidistants ΔEv = cste
46
Que signifie l'expression "l’énergie de vibration est faible : elle correspond à l’énergie de photons infrarouges"?
* Cela veut dire que les vibrations d’une molécule ne nécessitent pas beaucoup d’énergie
* Comparée à d’autres types de transitions (comme électroniques), l’énergie nécessaire pour faire vibrer une molécule est relativement petite
* Les **photons infrarouges (IR) sont des particules de lumière qui ont une énergie plus faible** que les photons visibles ou ultraviolets
* c’est pourquoi on les étudie souvent avec de la lumière infrarouge : **la quantité d’énergie transportée par un photon IR correspond à celle nécessaire pour faire vibrer une molécule**
47
Qu’est-ce que la rotation dans une molécule?
* **la molécule peut tourner autour de son centre de gravité**
* énergie de rotation Erot est quantifiée =>
* **Erot<< énergie de vibration Ev << Energie électronique Eel**
48
**L’énergie de rotation correspond à quel type d’énergie ?**
**à l’énergie de photons microondes**
| application : four microonde (2,45 GHz)
49
Quelle est la différence d’énergie (ΔΕ) entre les niveaux **rotationnels**, et quel est le rayonnement associé ?
* **DE = 10 J/mol**
* **Microondes**
50
Quelle est la différence d’énergie (ΔΕ) entre les niveaux **vibrationnels**, et quel est le rayonnement associé ?
* **DE = 1 à 40 kJ/mol**
* **Infrarouge**
51
Quelle est la différence d’énergie (ΔΕ) entre les niveaux **électroniques**, et quel est le rayonnement associé ?
* **DE = qqs 100 kJ/mol**
* **UV - Visible**
52
Résumé
53
Donnez la définition de l’énergie totale moléculaire
* **L’énergie totale moléculaire est la somme des différentes énergies**
* Seule l'énergie de translation n'est pas quantifiée
* **ET = E elect + E vib +E rot +E trans**
54
Pourquoi l’absorption est-elle sélective en longueur d’onde?
* **Seuls les photons dont le quantum d’énergie correspond à un des niveaux d’énergie autorisés de la molécule peuvent être absorbés**
* Ce phénomène est discret
55
Qu’est-ce qu’un spectre d’absorption?
* **Un spectre d’absorption montre comment une molécule absorbe la lumière à différentes longueurs d’onde**
* C’est une empreinte unique pour chaque molécule, un peu comme une signature
56
Comment se lit un spectre d’absorption ?
* Il est représenté sur un graphique avec :
* 🧭 **Axe des abscisses (axe horizontal) :
* C’est l’axe des longueurs d’onde (λ)**
* Chaque longueur d’onde correspond à une énergie précise. Ces énergies sont déterminées par le diagramme d’énergie de la molécule
* Autrement dit, chaque molécule peut absorber certains types de lumière (IR, UV, etc.), selon ses niveaux d’énergie internes
* 📈 **Axe des ordonnées (axe vertical) :
* C’est l’intensité d’absorption**
* Elle dépend de la probabilité qu’une transition énergétique se produise
* Si une transition est fortement probable, le pic d’absorption sera haut
* Si elle est peu probable, le pic sera plus bas ou absent
57
la couleur des chromophores est la manifestation de..?
* **l’absorption de la lumière visible**
58
Quelles sont les substances incolores ?
Celles qui absorbent:
* seulement **dans l’UV proche (200 à 400 nm)**
* seulement **dans l’Infra-Rouge (λ > 800 nm)**
59
De quoi est constituée l’hémoglobine ?
* **4 globines : 2 chaînes a et 2 chaînes b**
* **+ 4 molécules d’hème**
* Fe2+ complexé à porphyrine (PpIX) est le site de fixation de l’O2
* **chaque molécule d’hémoglobine peut fixer 4 molécules d’O2**
60
À quelles longueurs d’onde la chlorophylle absorbe-t-elle fortement ?
* à **430nm (bleu)**
* à **660 nm (rouge)**
61
Comment fonctionnent les cellules de la rétine?
62
Comment fonctionnent les photorécepteurs?
63
À quelles longueurs d'onde sont sensibles les bâtonnets et les cônes?
* cônes bleues: 437nm
* cônes vertes: 533nm
* cônes rouges: 564nm
* bâtonnets: 498nm
64
Sources de lumière « chaude » — Qu’est-ce que ça veut dire ?
* **Les sources de lumière chaude (comme les lampes à incandescence ou halogènes) produisent de la lumière en chauffant un filament métallique à très haute température. Ce phénomène est appelé incandescence**
* **Ces sources émettent un spectre continu, c’est-à-dire toutes les longueurs d’onde (couleurs) de la lumière visible — et même au-delà (infrarouge)**
* Contrairement aux lampes à LED ou à fluorescence, **elles n’émettent pas juste quelques pics, mais un dégradé complet de couleurs**
65
Caractéristique de la lumière laser..?
**monochromatique** par rapport aux autres sources
66
Donnez la définition de la **cohérence spatiale**
expliquez le terme
* **Le faisceau laser est collimaté : il reste parallèle**
* **Cela signifie que le faisceau ne diverge pas (ou très peu) comme la lumière classique**
* **Il reste très étroit et directionnel, même sur une longue distance**
67
Cohérence temporelle : qu’est-ce que c’est ?
* **Les photons émis ont tous la même phase et la même fréquence**
* Cela signifie que **les ondes lumineuses :
* Oscillent ensemble (en phase)
* Ont la même longueur d’onde (même fréquence)
* Sont ordonnées dans le temps**
Autrement dit, la lumière est régulière, prédictible, stable dans le temps.
68
résumé entre les deux types de cohérence
* **Spatiale (faisceau étroit, directionnel)**
* **Temporelle (ondes en phase, fréquence bien définie)**
69
Comparez les sources de lumière suivantes en termes de cohérence spatiale et temporelle
**Soleil (sunlight)**
→ mélange de nombreuses longueurs d’onde
→ pas de cohérence (ni spatiale, ni temporelle)
**LED (diode électroluminescente)**
→ **une seule couleur**, mais les ondes ne sont pas en phase
→ lumière non cohérente
**Laser**
→ **une seule couleur et les ondes sont en phase**
→ lumière cohérente temporellement
70
Qu’entend-on par lumière monochromatique?
**toute source lumineuse émet sur une certaine largeur spectrale**
71
Lequel des deux peut être monochromatique : une onde électromagnétique ou un photon unique de durée finie ?
**Une onde électromagnétique infinie peut être monochromatique**
72
Quelle condition doit être remplie pour qu’un photon soit absorbé par un atome ou une molécule ?
**L’énergie du photon hv doit exactement correspondre à la différence entre deux niveaux d’énergie:**
* **Ee - Ef = hv**
73
Qu’est-ce que l’**émission spontanée**?
* **C’est le processus par lequel un atome excité revient spontanément à son état fondamental Ef en émettant un photon d’énergie hv = Ee - Ef**
📌 **Le photon peut être émis dans n’importe quelle direction**
74
Qu’est-ce que l’émission stimulée et quelles sont les caractéristiques des photons émis ?
* **L’émission stimulée se produit lorsqu’un photon incident provoque la désexcitation d’un atome, qui émet alors un second photon**
* Les deux photons ont :
* ✅ même fréquence
* ✅ même direction
* ✅ même phase
75
Quelle est la différence entre émission spontanée et émission stimulée ?
**Émission spontanée**:
- Se produit **spontanément**
- **Aléatoire direction du photon**
- Variable fréquence
- Source lumineuse classique
**Émission stimulée**:
- Déclenchée par l’arrivée d’un photon
- **Identique** à celle du photon incident
- **Même fréquence, même phase que le photon incident**
- Principe fondamental du **laser**
76
Selon la **loi de Boltzmann**, comment se répartissent les atomes entre les niveaux d’énergie ?
* **La population d’un niveau d’énergie Ej est plus faible que celle d’un niveau inférieur Ei**
* **Le niveau le plus bas (le plus stable) est le plus peuplé**
77
Qu’est-ce qu’une inversion de population et comment l’obtient-on ?
* **L’inversion de population est une situation hors équilibre où le niveau excité Ej est plus peuplé que le niveau inférieur Ei , même si Ej > Ei**
📌 **Pour l’obtenir, il faut:**
- **Une source extérieure d’énergie**
- **Un processus appelé pompage**
- **C’est un état instable et difficile à maintenir**
78
Quel est le rôle de l’inversion de population dans un laser ?
* **L’inversion de population ( N3 > N2 ) transforme le milieu en milieu actif**
* **ce qui permet l’amplification de la lumière par émission stimulée.**
79
Qu’est-ce que le milieu actif ?
* **Le milieu actif est le cœur du laser:**
👉 **c’est le matériau (solide, liquide ou gaz) dans lequel les photons sont produits et amplifiés.**
80
Comment fonctionne un système laser à trois niveaux ?
**1. Un photon est absorbé → excitation de E1 à E3
2. Transition rapide (non radiative) de E3 à E2
3. E2 est un niveau métastable (stockage)
4. Émission stimulée de E2 à E1 **
📌**Le niveau métastable permet une inversion de population**
| **Exemple : laser au rubis**
81
Quel a été le premier laser inventé, quand, et avec quel matériau actif ?
* Le **premier laser optique** a été réalisé par **Theodore Maiman le 16 mai 1960**
* Il utilisait un **cristal de rubis**
**Longueur d’onde : 694,3 nm**
**Fonctionnait en impulsions**
82
Comment fonctionne un système laser à quatre niveaux et quels sont les exemples courants ?
1. **Absorption : excitation de E1 à E3 **
2. **Transition rapide non radiative vers le niveau métastable E2**
3. **Émission stimulée de E2 à E1**
4. **Transition très rapide de E1 au niveau fondamental**
📌 Système le plus employé que le 3 niveaux
💡 Exemples : **Nd:YAG, Er:YAG, CO₂, Argon**
83
Quelles sont les principales méthodes de pompage utilisées dans les lasers ?
1. **Décharge électrique → lasers à gaz (Argon, He-Ne, CO₂)**
2. **Lampe flash → Nd:YAG pulsé**
3. **Diode laser → lasers à l’état solide (ex.: Nd:YAG)**
4. **Courant électrique direct → diodes laser**
📌 **Le pompage fournit l’énergie externe nécessaire à l’inversion de population.**
84
Quel est le rôle du résonateur (ou cavité optique) dans un laser ?
* **Le résonateur, formé de deux miroirs (un totalement réfléchissant et un partiellement réfléchissant), permet aux photons de faire de multiples allers-retours dans le milieu actif**
👉 **Cela multiplie les émissions stimulées, augmentant ainsi fortement l’amplification de la lumière.**
85
Quels sont les trois éléments indispensables dans tout laser ?
1. **Milieu actif (ou amplificateur)**
2. **Pompe (source d’énergie externe)**
3. **Résonateur (ou cavité optique, avec miroirs)**
📌 **Ces éléments sont présents dans tous les lasers, du plus puissant (kW) au plus petit**
86
Quel est le profil spatial d’un faisceau laser en mode gaussien TEM₀₀ ?
* L’intensité suit une distribution gaussienne
* Le faisceau a un profil circulaire symétrique et une intensité maximale au centre
* Il diverge progressivement en s’éloignant du point focal.
* Le mode TEM₀₀ est le plus stable, pur et focalisable.
87
Que se passe-t-il pour un faisceau laser à très grande distance ?
* **Il ne reste jamais parfaitement collimaté :**
🔸 **il diverge**
🔸 **il forme une tâche d’Airy, due à la diffraction**
📌 Même un laser ultra-précis finit par s’élargir à cause des limites physiques de la propagation.
88
Pourquoi utilise-t-on des diffuseurs spécifiques avec les faisceaux laser ?
* **Parce que le faisceau laser n’est pas toujours uniforme, il faut des diffuseurs adaptés pour obtenir un profil homogène.**
📌 Exemples :
* Diffuseur frontal
* Diffuseur cylindrique
89
Quelles sont les principales unités utilisées pour mesurer l’énergie, la puissance, l’irradiance et la fluence ?
90
Qu’est-ce qu’un laser en mode continu et quelle est sa puissance ?
* **Un laser continu (CW) émet un flux d’énergie constant dans le temps.**
* **Sa puissance est l’énergie émise par seconde, exprimée en Watts (J/s).**
| Exemples : Nd:YAG, CO₂, diode-laser, Argon, He-Ne.
91
Qu’est-ce qu’un **laser pulsé** et par quels **paramètres** est-il caractérisé ?
* **Un laser pulsé émet des impulsions à intervalles réguliers.
Il est caractérisé par 3 paramètres :**
1. **Durée d’impulsion τ (en secondes)**
2. **Énergie par impulsion ε (en joules)**
3. **Taux de répétition f = nombre d’impulsions par seconde (Hz)**
92
Quelle est la différence entre un laser continu et un laser pulsé?
* **Un laser continu délivre une puissance constante dans le temps.**
* **Un laser pulsé délivre des impulsions brèves et intenses à intervalles réguliers.**
* **Il est caractérisé par :
- Puissance crête (très élevée pendant l’impulsion)
- Puissance moyenne (plus faible, moyenne sur le temps total)**
93
Qu’est-ce que la **puissance moyenne d’un laser pulsé**?
* **La puissance moyenne Pm est le taux moyen d’écoulement du flux d’énergie par seconde.**
Elle dépend:
- de l’**énergie par impulsion**
- du **taux de répétition f**
94
Quelle est la formule de la puissance moyenne Pm d’un laser pulsé ?
*
**Pm = ε/Τ = ε x f**
📌 où :
**ε = énergie par impulsion (J)**
**T = période entre impulsions**
**f = fréquence (Hz)**
95
Quelle est la **différence entre puissance moyenne et puissance crête dans un laser pulsé ?**
96
Quelles sont les formules théoriques de la puissance moyenne et de la puissance crête d’un laser pulsé ?
97
Qu’est-ce que l’irradiance et quelle est sa formule ?
98
Qu’est-ce que la fluence et quelle est sa formule ?
* La **fluence** est l’**énergie totale délivrée** par unité de surface pendant un traitement.
**F = E/S**
F = fluence (J/cm²)
E = énergie totale (J)
S = surface irradiée (cm²)
📌 Elle mesure la **dose énergétique appliquée à un tissu**
99
Quelle est la différence entre irradiance et fluence ? Donne leurs formules
100
Quelle est la relation entre l’irradiance I , le temps T et la fluence F ?
101
tableau récapitulatif
