Physique Atomique et Moléculaire Ions dans les Solides - Systèmes lasers : Tome 2

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Le contenu de cet ouvrage est le reflet d’enseignements dispensés, aux niveaux Maîtrise/M1 et DEA/M2, en Physique Atomique et Moléculaire et en Optique et Lasers à l’Université de Caen au cours des 25 dernières années. Il est destiné également aux chercheurs et ingénieurs travaillant dans les laboratoires de la recherche publique.
Les thèmes abordés sont ceux des atomes d’hydrogène et d’hélium, des alcalins et alcalino-terreux, des atomes à plusieurs électrons de valence, de l’interaction atome-rayonnement, de la spectroscopie des molécules et des ions dans les solides et enfin des systèmes lasers les plus significatifs utilisant un milieu actif à base d’atomes, ions ou molécules en milieu dilué.
L’originalité de cet ouvrage est avant tout dans les démonstrations de cours et les nombreux exercices et problèmes corrigés qui font souvent défaut. La physique atomique et moléculaire et la spectroscopie des ions dans les solides sont à la base des nombreux systèmes lasers à solides et matériaux optiques développés actuellement.
Les auteurs ont jugé essentiel et opportun de rappeler certaines notions de base utilisées dans la recherche scientifique et l’étude de ces nouveaux dispositifs.

6 Les ions dans les matériaux solides . . 493
- 6.1 Action de l’environnement sur les niveaux des ions . . . . . . . 495
- 6.2 Éléments de matrice et Règles de sélection . . . . . . . . . . . 497
- 6.3 Force du champ cristallin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
- 6.4 Opérateurs équivalents de Stevens . . . . . . . . . . . . . . . 501
- 6.5 Niveaux des ions de transition du groupe du fer . . . . . . . . . 504
-- 6.5.1 Cas d’un seul électron d en symétrie cubique . . . . . . 507
-- 6.5.2 Configurations multiélectroniques (Ar)3dⁿ en champ 'intermédiaire' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
-- 6.5.3 Configurations multiélectroniques (Ar)3dⁿ en champ 'fort' . . 512
- 6.6 Spectroscopie des ions de terres rares trivalents . . . . . . . . 514
-- 6.6.1 Niveaux d’énergie des ions de terres rares trivalents . . 514
-- 6.6.2 Spectroscopie des ions de terres rares. Formalisme de Judd-Ofelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
- 6.7 Couplage électron-phonon / transitions vibroniques . . . . . . . 518
- 6.8 Exercices et problèmes d’application . . . . . . . . . . . . . . . 524
-- 6.8.1 Niveau fondamental des ions de terres rares trivalents . 524
-- 6.8.2 Ion émetteur Pr³ dans un environnement cristallin de symétrie tétragonale . . . . . . . . . . . . . 532
-- 6.8.3 Ion émetteur V³ dans un environnement cristallin de symétrie tétraèdrique . . . . . . . . . . . . . . 535
-- 6.8.4 Spectroscopie de l’ion Eu² . . . . . . . . . . . . . . . 542

7 Principaux émetteurs laser . . . 547
- 7.1 Notions de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
-- 7.1.1 Gain et inversion de population au seuil . . . . . . . . . 547
-- 7.1.2 Systèmes laser à 2, 3 et 4 niveaux . . . . . . . . . . . . 548
--- 7.1.2.1 Système à 2 niveaux . . . . . . . . . . . . . . 548
--- 7.1.2.2 Système laser 4-niveaux . . . . . . . . . . . . 550
--- 7.1.2.3 Systèmes laser 3-niveaux . . . . . . . . . . . . 553
-- 7.1.3 Notions de saturation et d’inversion de population au seuil 556
-- 7.1.4 Notions de seuil d’oscillation laser . . . . . . . . . . . . 558
-- 7.1.5 Description des principaux systèmes laser . . . . . . . . 560
--- 7.1.5.1 Laser He-Ne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
--- 7.1.5.2 Laser CO₂ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
--- 7.1.5.3 Lasers à Excimères . . . . . . . . . . . . . . . 562
--- 7.1.5.4 Laser à Rubis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
--- 7.1.5.5 Laser 'Saphir-Titane' . . . . . . . . . . . . . . 564
--- 7.1.5.6 Lasers solides à ions Er³ . . . . . . . . . . . 565
--- 7.1.5.7 Lasers solides à ions Nd³ . . . . . . . . . . . 567
--- 7.1.5.8 Lasers à semiconducteurs . . . . . . . . . . . 568
- 7.2 Exercices et problèmes d’application . . . . . . . . . . . . . . . 569
-- 7.2.1 Système laser à 3 niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . 569
-- 7.2.2 Réalisation d’un laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
-- 7.2.3 Laser Hélium-Néon 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
-- 7.2.4 Laser Hélium-Néon 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
-- 7.2.5 Laser à Vapeur de Plomb . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
-- 7.2.6 Laser Rovibrationnel à CO₂ . . . . . . . . . . . . . . . 604
-- 7.2.7 Laser YAG :Nd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
-- 7.2.8 Laser à colorant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623


8 Problèmes divers de niveau Master 1 . . . 627
- 8.1 Effet Stark sur l’atome d’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . 627
- 8.2 Niveaux quasi-hydrogénoïdes de l’ion Mg . . . . . . . . . . . 636
- 8.3 Atome d’Azote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
- 8.4 Atome de Cadmium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
- 8.5 Série principale du Potassium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667
- 8.6 Spectre de l’atome de Phosphore . . . . . . . . . . . . . . . . 689
- 8.7 Spectre de l’Argon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697
- 8.8 Croisements de Niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
- 8.9 Durée de vie du niveau 3²P de l’atome de sodium . . . . . . . 726
- 8.10 Structure hyperfine de l’atome d’Hydrogène . . . . . . . . . . . 735
- 8.11 Effet Zeeman et couplage j-j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741

9 Problèmes divers de niveau Master 2 . . . 751
- 9.1 Effet Stark de l’état n = 2 de l’atome d’Hydrogène . . . . . . . 751
- 9.2 Interaction des configurations sd et p² de Mg . . . . . . . . . . 764
- 9.3 Configuration 6p7s de l’atome de Plomb . . . . . . . . . . . . . 781
- 9.4 Configuration 4p⁵ns d’un isotope pair du Krypton . . . . . . . . 795
- 9.5 Structure fine des niveaux ³P des héliumoïdes . . . . . . . . . 817
- 9.6 Atome d’Argon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827
- 9.7 Le Calcium IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 838
- 9.8 Le Calcium IX (suite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853
- 9.9 Facteur de Landé d’un niveau de J = 0 et I =/= 0 . . . . . . . . 868
- 9.10 Transition interdite 6¹S₀ -> 6³P₀ du Mercure . . . . . . . . . . 878
- 9.11 Probabilités de transitions : Séries du Be et du F . . . . . . . . 891
- 9.12 Transition dipolaire électrique 5s7d¹D₂ - 5s5p¹P₁ du Cd . . . 897
- 9.13 Croisements entre sous niveaux Zeeman hyperfins . . . . . . . 907
- 9.14 Structure hyperfine des niveaux de^207Pb(6p7s) . . . . . . . . 921

10 Bibliographie . . 937
11 Annexe 1 : Perturbations dépendant du temps . . . 939
12 Annexe 2 : Coefficients de Clebsch-Gordan . . . 943
13 Annexe 3 : Opérateurs tensoriels irréductibles . . . 949
14 Annexe 4 : Paramètres de Racah et intégrales de Slater . . . 953
15 Annexe 5 : Notions de théorie des groupes . . . 955
16 Annexe 6 : Matrices et diagrammes de Tanabe et Sugano . . . 981