L’émission stimulée (Einstein 1917) et le laser

 

A propos de la naissance de la mécanique quantique, on connaît les articles fondateurs de Planck en 1900 et d’Einstein en 1905 pour expliquer le  » rayonnement du corps noir « . Planck émet l’idée que les atomes au sein du corps noir occupent des niveaux d’énergie discontinus hν, 2hν, 3hν : il introduit la fameuse constante de Planck h à la base de cette discontinuité, et la formule de Planck E = hν la base de cette discontinuité, et la formule de Planck E = hν. Einstein émet dans son premier article de mars 1905  » Sur un point de vue heuristique concernant et l’émission et la production de lumière  » l’hypothèse que cette discontinuité pourrait être intrinsèque à la lumière et non simplement liée aux niveaux d’énergie : c’est l’hypothèse d’un caractère corpusculaire de la lumière, alors que depuis les fentes de Young (1803) on croyait la lumière purement ondulatoire ! (voir livre p. 187 –194)

On parle moins de l’article de 1917 d’Einstein  » Sur la théorie quantique du rayonnement « . Entre 1905 et 1916 en effet, Einstein travaille uniquement sur la relativité restreinte puis générale. Estimant que son travail sur la relativité générale avec la vérification de l’avance du périhélie de Mercure était suffisant (septembre 1916), Einstein se remet au travail sur la mécanique quantique.

 

Entretemps il y avait eu l’importante analyse de Niels Bohr, confirmée par l’expérience de Franck et Herz, sur la  » quantification de la matière « , à savoir le fait qu’un électron dans un atome occupe des niveaux d’énergie et donc des orbites données, sans pouvoir descendre en-dessous d’une certaine orbite (modèle de l’atome de Bohr).

C’est Einstein qui reprend le travail sur la lumière, et dans son article de 1917 il donne les équations modélisant le corps noir, faisant la synthèse entre 1) ses premiers travaux et ceux de Planck (1900-1905) 2) les travaux de mécanique statistique de Boltzmann 3) les travaux de Bohr sur la  » quantification de la matière « . Le seul moyen de résoudre les équations du corps noir est d’introduire la notion d’  » émission stimulée « . Nous sommes donc en présence de trois phénomènes distincts au sein du corps noir :

1) l’absorption stimulée (par un photon incident) : l’électron de l’atome passe au niveau d’énergie supérieur (en haut sur l’image, l’absorption n’y est pas représentée)


Emission stimul�e
2) l’émission spontanée
au bout d’une certaine durée où l’électron est au niveau supérieur, l’atome se désexcite, et l’électron revient au niveau d’énergie inférieur

3) l’émission stimulée (par un photon incident) : l’atome se désexcite – l’électron revient au niveau d’énergie inférieur – en émettant un photon dans la même direction que le photon incident.

Dans l’émission spontanée, le photon peut être émis dans n’importe quelle direction (figure). Dans l’émission stimulée, on reconnaît (figure) deux photons dans la même direction, le photon incident et le photon émis (cohérence lumineuse).

La résolution théorique complète du problème du corps noir permet donc 1) de découvrir le phénomène d’émission stimulée ; 2) de confirmer l’intuition de 1905 d’Einstein du quantum de lumière, qui se voit affecter d’une quantité de mouvement p = hν/c, où hν est la fréquence de transition entre les deux niveaux d’énergie. En appliquant les résultats de Bohr à l’émission stimulée, Einstein met en évidence une quantité de mouvement du  » quantum de lumière « , ce qui est un indice supplémentaire du caractère corpusculaire de la lumière, le  » quantum  de lumière  » sera mis en évidence expérimentale et baptisé photon en 1926.

 

 

Cette intervention d’Einstein pour la deuxième fois dans la mécanique quantique conduit à son prix Nobel en 1921. La découverte de l’émission stimulée (et la résolution du problème du corps noir montre qu’elle est beaucoup plus fréquente que l’émission spontanée) conduit au laser (lecture de CD, DVD, lasers médicaux): LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

5 comments for “L’émission stimulée (Einstein 1917) et le laser

Comments are closed.