Fluorescence, phosphorescence et fluctuations quantiques du vide (I).

Dans le cadre d’un article précédent détaillant le fonctionnement d’un laser, j’ai présenté le phénomène d’émission spontanée : un atome dans un état excité, c’est-à-dire possédant un surplus d’énergie, ne reste pas dans cet état indéfiniment et restitue cette énergie en émettant de la lumière, un photon. Ce phénomène, que vous découvrez peut-être, vous est en fait familier. Il est responsable de ce qu’on appelle la fluorescence, et de la phosphorescence. Attention, les deux termes ne sont pas synonymes ! Alors quelle est la différence ?

Quand parle-t-on de fluorescence et de phosphorescence ?

Tout d’abord, on parle de fluorescence et de phosphorescence lorsque l’on a affaire à un cycle {absorption d’un photon + émission spontanée}. Le phénomène d’absorption est en quelque sorte le contraire de l’émission spontanée : l’atome prend l’énergie du photon, qui est alors détruit, et un électron transite d’une orbitale à une autre. Attention : comme celui émis, le photon reçu possède l’énergie adéquate (), sans quoi il ne peut pas être absorbé.

Processus d’absorption
1. Arrivée d’un photon de la bonne énergie sur un atome dans l’état fondamental.
2. Transition de l’électron vers une orbitale de plus haute énergie et destruction du photon.
3. Atome dans l’état excité.

 

Il nous faut maintenant aller un peu plus loin en considérant deux choses : tout d’abord, le fait que le système (bien plus souvent une molécule qu’un seul atome) possède plusieurs électrons, et ensuite, le moment magnétique de spin de ces derniers.

« Le… quoi ? »

Le moment magnétique de spin. Je vais faire court et donc m’autoriser un certain nombre de raccourcis (vous voilà prévenus !). Vous connaissez la charge électrique ? C’est une propriété de la matière qui la rend sensible à la présence d’un champ électrique. Vous connaissez la masse ? Là encore une propriété de la matière, qui la rend sensible à la présence d’un champ gravitationnel. Hé bien le spin, c’est encore une autre de ces propriétés, et du spin découle le moment magnétique de spin, qui rend la matière sensible à un champ magnétique. Le moment magnétique de spin n’est pas l’équivalent d’une « charge magnétique » : il a une valeur et une orientation, là où la charge électrique et la masse se contentent d’une valeur. On le représentera donc par une flèche. Le moment magnétique de spin des électrons ne pourra prendre que deux orientations, vers le haut ou vers le bas. Quand plusieurs électrons se répartissent dans les diagrammes d’énergie que j’ai déjà montrés, ils n’ont le droit d’occuper la même orbitale qu’à une seule condition : leurs moments magnétiques doivent être d’orientations différentes. Dans le cas contraire, les états des électrons seraient rigoureusement identiques, et cela est interdit (c’est le principe de Pauli). Puisqu’ils ne peuvent être orientés que vers le haut ou le bas, il ne peut y avoir que deux électrons par orbitale.

Niveaux d’énergie et électrons d’un atome ou d’une molécule…
… pour 3 niveaux et 3 électrons. L’électron sur l’orbitale 2 ne peut pas occuper l’orbitale 1, puisqu’un électron avec le même moment magnétique l’occupe déjà. La configuration représentée est donc la configuration de plus basse énergie.

 

On peut maintenant faire la différence…

… entre fluorescence et phosphorescence.

Fluorescence : Après l’absorption d’un photon, l’électron excité retourne à l’état fondamental en en réémettant un. Rien de particulier ne se passe au niveau du spin. Le processus ne dure alors que quelques nanosecondes, autant dire qu’à notre échelle de perception, il est instantané. Ce qui veut dire aussi qu’un objet fluorescent ne peut pas être lumineux dans le noir !

Phosphorescence : Cette fois-ci, pour des raisons que je ne détaillerai pas, l’électron excité transite dans un autre niveau d’énergie particulier (un état dit triplet), où son spin s’est retourné. Il est donc bloqué dans cet état d’énergie ! En effet, le niveau d’énergie plus basse est déjà occupé par un électron de même spin, il lui est donc interdit d’y retourner. Il va quand même y parvenir, en se désexcitant et en retournant son spin simultanément. Ce processus aléatoire est cependant bien plus rare, et peut prendre des secondes, voire des heures ! Résultat, une fois qu’on a éclairé un matériau phosphorescent, celui-ci diffuse de la lumière au fur et à mesure que ses molécules parviennent à retourner à l’état fondamental. Plus on l’aura éclairé longtemps au préalable, plus il sera lumineux, puisqu’un nombre plus important de molécules se seront « coincées » dans l’état triplet. Les deux phénomènes sont résumés sur le schéma suivant :

Processus de fluorescence et de phosphorescence.
Fluorescence :
1. Absorption d’un photon.
2. Réémission du photon.
L’état triplet ne joue aucun rôle.
Phosphorescence :
1. Absorption du photon.
2. Retournement de spin (passage dans l’état triplet).
3. Un photon ne peut être réémis immédiatement (la transition classique est interdite).
L’électron doit effectuer la transition en retournant son spin, ce qui est beaucoup moins probable et peut arriver plusieurs heures après l’absorption. De ce fait, l’objet reste lumineux un certain temps dans le noir.

 

Un dernier point notable est qu’en réalité, la lumière absorbée et la lumière réémise ne sont pas forcément identiques. Cela vient du fait que la structure électronique des molécules est encore un peu plus riche que ce que j’ai précédemment présenté. Les molécules peuvent en effet vibrer, avec une certaine énergie. Ainsi, des sous-niveaux vibratoires existent, pour chaque niveau électronique, comme illustré ci-après.

Cycle de fluorescence plus fidèle à la réalité.
1. La molécule absorbe un photon d’énergie E3 + Evib – E1, ce qui porte l’électron dans l’état correspondant.
2. L’énergie Evib liée à la vibration est très rapidement perdue par la molécule, et cédée à son environnement en quelques picosecondes (millionième de millionième de seconde). Il n’y a pas d’émission de photon.
3. L’électron retombe dans l’état fondamental, et émet un photon d’énergie E3 – E1. Ce photon est d’énergie inférieure, donc de longueur d’onde supérieure (les deux quantités sont inversement proportionnelles).
Il est ainsi possible à une molécule d’absorber dans l’ultraviolet et de réémettre dans le spectre visible.

 

Les vibrations de la molécule s’atténuent rapidement en percutant les molécules voisines. De fait, l’énergie liée à ces vibrations est très rapidement perdue sans rayonner. Puis, une transition classique s’effectue en émettant un photon. Mais puisque les niveaux impliqués diffèrent entre l’absorption et l’émission, l’énergie du photon émis est inférieure à celle du photon absorbé. Et voilà comment vous devenez lumineux en boîte de nuit, si vous portez des vêtements blancs, lorsque l’on vous éclaire en « lumière noire » : les ultraviolets, qui ne sont pas perçus par l’œil humain, sont absorbés par les molécules fluorescentes et réémis dans le spectre visible, principalement le bleu. À noter d’ailleurs que les molécules fluorescentes en question ne constituent pas vos vêtements, elles proviennent des agents blanchissants contenus dans votre lessive, ou agents azurants.

Enfin, fluorescence ne rime pas avec toxicité. La plupart des molécules fluorescentes sont dites aromatiques, elles ont une structure chimique spécifique. Mais, avec ce nom, vous vous doutez bien qu’une partie d’entre elles est responsable des arômes que nous percevons (j’ai bien dit cependant « une partie d’entre elles »). En outre, si l’on met une boisson tonique sous éclairage ultraviolet, ça donne le résultat ci-contre. Pourquoi ? Parce que la quinine qu’elle contient est fluorescente, et ça ne cause pas de problème de santé pour autant.

Quid des « fluctuations quantiques du vide » ? Elles viendront dans le prochain article !

Le laser, machine à dupliquer les photons

Dans cet article, je vais m’intéresser à cette machine fascinante dont tout le monde entend parler régulièrement, et qui est omniprésente dans les laboratoires : le laser ! Ah… sauf que ça commence mal : le LASER, à la base, ce n’est pas une machine, c’est un concept ! Mais on a vite appelé laser le dispositif qui exploite le concept du LASER. Bon, bref, commençons donc par expliquer le concept.

Concept du LASER.

Le LASER, et c’est pour cette raison que je l’écris en majuscules, est un acronyme pour « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », soit en français « Amplification de Lumière par Émission Stimulée de Rayonnement » (ALESR, ça n’est pas très beau !). Il me faudra donc détailler un peu ce qu’est ce processus d’émission stimulée et comment on s’en sert pour amplifier la lumière.

Peut-être certains d’entre vous réagissent à l’évocation du mot anglais « radiation », mais il n’y a pas lieu de s’alarmer. Ce que l’on désigne par radiation, c’est simplement une onde électromagnétique, et ce indépendamment de son caractère nocif ou non (c’est pour cette raison qu’on le traduit plutôt par rayonnement, en français). La lumière est un cas particulier de radiation, possédant une longueur d’onde comprise entre 380 nm et 780 nm. Autrement dit, il est tout-à-fait normal de dire qu’une simple lampe de chevet vous irradie, juste parce qu’elle vous éclaire ! Les deux mots sont synonymes mais le mot français « radiation » est connoté, car il renvoie à la notion de radioactivité, qui elle a tendance à être nocive (mais il y a beaucoup de choses à en dire, et cela fera peut-être l’objet d’un article).

Bien que le phénomène d’émission stimulée soit au cœur du concept du LASER, un autre phénomène en permet le déclenchement : l’émission spontanée. Pour savoir de quoi il s’agit, il faut aller voir ce qui se passe à l’échelle atomique.

Émission spontanée et émission stimulée.

Ça ira pour cette fois !

Pour faire assez court, l’atome est constitué d’un noyau de protons et de neutrons autour duquel se trouvent des électrons. Les électrons occupent des orbitales bien précises, mais soyons clairs ici : « orbitales » n’a pas le sens d’orbite, et nous savons qu’un atome ne se comporte pas comme un système solaire miniature. Néanmoins, ce modèle physique, bien que faux, est déjà suffisamment raffiné pour nous permettre de comprendre les phénomènes d’émission spontanée et d’émission stimulée. Donc vous pouvez garder cette vision de l’atome pour cette fois si vous voulez vous représenter les choses de cette façon, en retenant que les choses sont en vérité plus subtiles.

Un électron donné ne peut pas avoir n’importe quelle « orbite », seules certaines sont permises, et lorsque l’électron occupe une orbitale précise, il possède une quantité d’énergie précise qui y est associée. Pour décrire l’état d’un électron de l’atome, on peut ainsi complètement oublier l’orbitale qu’il occupe et se focaliser sur l’énergie qu’il possède. On peut alors représenter l’état de l’électron à l’aide d’un diagramme très simple :

Diagramme d’énergie d’un atome.

 

L’émission spontanée et l’émission stimulée correspondent alors à deux types de transitions de l’électron dans ce diagramme.

– Émission spontanée : Imaginons que l’atome soit excité, c’est-à-dire que l’on a fourni au préalable de l’énergie à l’électron, peu importe comment, de manière à ce qu’il occupe une certaine orbitale. Cet électron va chercher à retourner à un état de plus basse énergie. Pourquoi ? La réponse a cette question est, de mon point de vue, fascinante et je la traiterai dans un autre article. Bref, l’électron veut « redescendre » dans le diagramme. Pour cela, il se débarrasse d’un excédent d’énergie et « saute » à l’orbitale inférieure. Cet excédent d’énergie ne disparaît évidemment pas (souvenez vous : l’énergie ne varie pas au cours du temps !), il est converti en lumière. Autrement dit, l’électron crée un photon possédant une énergie très précise au moment où il transite d’une orbitale à une orbitale de plus basse énergie. Ce photon est alors émis dans une direction aléatoire.

Processus d’émission spontanée.
1. Atome dans l’état excité.
2. Transition de l’électron vers une orbitale de plus basse énergie et émission d’un photon.
3. Le photon se propage dans une direction aléatoire et son énergie correspond à l’énergie perdue par l’électron entre les deux orbitales.

 

Note : c’est le phénomène qui permet aux ampoules (lampes à incandescence) de nous éclairer. Un courant électrique circule dans un filament métallique de tungstène et le chauffe à blanc (l’ampoule, c’est-à-dire la bulle de verre, est sous vide ce qui empêche la combustion du filament, du fait de l’absence de dioxygène). Les atomes ainsi excités émettent de la lumière par émission spontanée. La lumière émise n’est pas monochromatique, car il existe de nombreux niveaux d’énergie, donc de nombreuses transitions possibles. Les photons émis n’ont donc pas la même énergie selon la transition qui leur a donné naissance.

 

– Émission stimulée : L’émission stimulée est un processus très proche de l’émission spontanée. On part de la même situation (un atome dans un état excité), mais cette fois-ci, au lieu d’attendre que l’électron transite tout seul, on imagine qu’un photon de la bonne énergie passe par là. Ce passage va déclencher la transition de l’électron, et il va ainsi émettre son photon, mais pas n’importe comment : le photon émis va être une copie conforme du premier photon qui passait. Il est synchronisé avec lui et se propage dans la même direction. Ces deux caractéristiques sont importantes. Les deux photons sont dans le même état et la lumière se trouve renforcée.

Processus d’émission stimulée.
1. Atome dans l’état excité et arrivée d’un photon ayant la bonne énergie (E2 – E1).
2. Transition de l’électron vers une orbitale de plus basse énergie et émission d’un photon « jumeau ».
3. Le second photon est une parfaite réplique du premier. Il se propage donc dans la même direction, possède la même énergie, et est synchronisé avec lui (ils sont « en phase »).

 

Et si maintenant on cherchait à mettre des millions, des milliards de photons dans le même état ? Comment optimiser le phénomène ? Hé bien le laser est justement le dispositif qui sert à faire cela !

Le dispositif laser.

L’idée est simple : on veut favoriser autant que possible le processus d’émission stimulée. Pour cela, il faut…

1. … des atomes. Ils vont former ce que l’on appelle un milieu amplificateur. Historiquement, le tout premier laser date de 1960, et avait pour milieu amplificateur un cristal de rubis. Mais les dispositifs laser peuvent être extrêmement variés, et le milieu amplificateur peut être un solide, un liquide ou même un gaz. Évidemment, la nature des atomes va jouer sur la lumière émise (la différence d’énergie entre deux orbitales ne va pas être la même).

2. … de l’énergie. Souvenez-vous que les atomes ne doivent pas se trouver dans leur état fondamental (leur état de plus basse énergie), sinon ils ne pourront pas émettre de lumière. Cet apport d’énergie extérieur est appelé pompage. Là encore, les méthodes de pompage sont très variées (décharges électriques, illumination par des flashs lumineux, etc.).

3. … que les photons rencontrent le plus possible d’atomes excités sur leur passage. Pour cela, on aimerait qu’ils restent dans le milieu amplificateur, sauf qu’évidemment, les photons se propageant en ligne droite, ils ne s’amusent pas à faire des détours à l’intérieur. Alors piégeons-les, ces photons : coinçons-les dans le milieu amplificateur à l’aide de deux miroirs qui se font face, de manière à ce qu’ils fassent indéfiniment des allers-retours. Hé bien voilà, on a une cavité laser. Le flux de photons va ne faire que se multiplier à l’identique à l’intérieur : le laser n’est rien d’autre qu’une machine à dupliquer les photons !

4. … laisser quelques-uns de ces photons sortir de la cavité, quand même ! Sinon, nous ne pourrions pas faire grand-chose avec ce faisceau laser. Les photons sont forcés de se propager dans l’axe de la cavité (perpendiculairement aux miroirs), puisqu’ils copient le photon qui a été piégé en premier lieu. Pour qu’ils puissent s’échapper, la solution consiste à se servir d’un miroir partiellement réfléchissant, qui réfléchit un certain pourcentage de photons et laisse passer le reste. Selon les types de laser, on peut trouver des miroirs de cavité réfléchissant la lumière à hauteur de 30%, mais aussi jusqu’à 99%. Dans ce dernier cas, songez que le faisceau est cent fois plus puissant à l’intérieur de la cavité qu’en sortie !

De l’allumage à l’obtention du faisceau en sortie.

Nous avons déjà quasiment tous les éléments pour comprendre le fonctionnement d’un dispositif laser. Mais comment force-t-on les photons à faire ce qu’il faut ? On voit bien que l’étape 3, le piégage des photons dans la cavité, ne se fait pas comme par hasard, si ?

Hé bien… si ! On laisse justement faire le hasard.

Allumer le dispositif, c’est commencer le pompage : les atomes du milieu amplificateur acquièrent cette énergie qu’on leur donne et passent dans l’état excité. À partir de cet instant, les émissions spontanées apparaissent, et les atomes relâchent l’énergie acquise sous forme lumineuse dans n’importe quelle direction. Ces photons peuvent être dupliqués en rencontrant d’autres atomes excités, mais peu importe, ils quittent rapidement le milieu amplificateur et se perdent dans la nature.

 

En revanche, de temps en temps, par le fait du hasard, un photon est émis dans la bonne direction et se met à rebondir entre les miroirs. Il est alors de plus en plus dupliqué. S’il est perdu, pour diverses raisons (absorption, diffusion, traversée du miroir semi-réfléchissant, etc.), c’est déjà « trop tard » : des centaines, milliers ou plus de photons identiques le remplacent. L’amplification s’auto-entretient et domine tous les autres processus existants. Chaque atome excité a en effet beaucoup plus de chances de copier l’un des innombrables photons du faisceau laser qu’un pauvre photon unique issu d’une émission spontanée. Tout ce qui compte, c’est de continuer à fournir de l’énergie au milieu amplificateur pendant ce temps-là, sans quoi il ne peut plus rien amplifier. L’onde laser, elle, s’établit d’elle-même en moins d’une microseconde !

Pourquoi avoir voulu fabriquer le laser ?

C’est là la question la plus drôle, parce que la réponse pourrait tenir en trois mots : pour le fun !

Le laser a été fabriqué simplement a un moment où les connaissances et les moyens techniques étaient suffisants pour pouvoir y arriver. On le fait parce qu’on pense pouvoir le faire, donc si on essayait ! C’est le côté exploratoire de la recherche qui est perceptible ici ; réaliser une innovation technologique pour la réaliser. Soyons clairs tout de même : même au-delà de constituer une démonstration expérimentale de l’émission stimulée (décrite par Einstein en 1917), les chercheurs de l’époque ont bien des idées de l’utilité d’un laser, surtout que le maser (dispositif similaire pour les ondes de la gamme micro-ondes) a été mis au point cinq ans plus tôt. Pour le grand public et les auteurs de Science-Fiction, l’idée du laser existe déjà depuis longtemps. Mais malgré tout, le laser ne répond à aucun besoin de l’époque, il est considéré pendant plusieurs années comme rien de plus qu’un jouet. « Nous avons l’habitude d’avoir un problème et de chercher une solution. Dans le cas du laser, nous avons déjà la solution et nous cherchons le problème. » Depuis, des problèmes de natures variées, il en résout un sacré paquet !

L’intérêt du laser est de produire une lumière plus « pure » que la lumière naturelle. Une lumière dite cohérente. Cette cohérence vient justement du fait que les photons qui constituent le faisceau sont des copies conformes les uns des autres, ce qui n’est pas le cas pour des sources naturelles. Mais j’y reviendrai (plus tard !).

Note : les lasers peuvent être extrêmement variés. Le domaine technique qu’ils couvrent est vraiment très très vaste et il pourrait y avoir cinquante articles dessus. Mais le but de cet article-ci est de présenter l’idée de base qui se cache derrière tout laser, l’essentiel.