Thèse Etude des Collisions Entre Atomes Alcalins et de Gaz Rare pour le Développement d'Un Laser à Rubidium H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire Aimé Cotton Direction de la thèse : Olivier DULIEU ORCID 0000000194983754 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 Cette étude théorique vise à déterminer l'ensemble des paramètres nécessaires à la conception d'un prototype de laser à alcalin de forte puissance (de l'ordre du kilowatt) et à haut rendement, fonctionnant en mode continu ou à impulsions longues.
Parmi les paramètres clés régissant le rendement opérationnel d'un laser à alcalin pompé par diode (DPAL), on trouve, d'une part, la largeur spectrale de l'absorption entre le niveau 5s et les niveaux 5p du rubidium (Rb) dans le mélange de gaz rare choisi, et, d'autre part, le taux de transition entre les états de structure fine 2P/ et 2P/ du niveau 5p du Rb.
Une évaluation rigoureuse de la largeur spectrale et du taux de transition nécessite des courbes précises d'énergie potentielle pour les paires Rb-gaz noble étudiées. Tel est l'objectif principal de ce projet, qui se concentrera sur l'interaction entre le rubidium et des gaz rares lourds et fortement polarisables, comme le xénon, une combinaison prometteuse pour réaliser un tel système laser.
La méthodologie s'appuiera sur des approches semi-empiriques puissantes de la chimie quantique, intégrant des potentiels de coeur effectifs et des potentiels de polarisation de coeur, ainsi que sur des codes de diffusion quantique et des modèles d'évolution thermodynamique du mélange gazeux.
Les lasers à alcalins figuraient parmi les premiers types de lasers proposés par A. L. Schawlow et C. H. Townes dès 1958 [SCHA58], mais leur réalisation concrète par une équipe du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ne remonte qu'à 2003 [KRUP23].

Lorsqu'ils sont pompés par des diodes laser, les lasers à alcalins offrent des perspectives de puissances moyennes très élevées (> 100 kW) et de rendements optiques exceptionnels (> 60 % en conversion optique-optique). Cependant peu de chercheurs ont publié sur le sujet, notamment aux Etats-Unis.
Le principe d'un laser à alcalin est simple : dans le cas du rubidium, le pompage s'effectue à une longueur d'onde de 780 nm sur la raie D de l'atome alcalin. Une relaxation très rapide du niveau 5²P/ vers le niveau 5²P/, induite par des collisions avec des molécules de méthane ou d'éthane, permet au laser d'émettre à une longueur d'onde de 795 nm sur la raie D. Il s'agit donc d'un laser « quasi à deux niveaux ». Les deux avantages les plus évidents des lasers à alcalins découlent du faible écart énergétique entre la raie de pompage et la raie d'émission : Le rendement optique peut être excellent.
Le dépôt thermique dans le milieu laser est minimal. Un autre avantage significatif provient de la longueur d'onde de la raie D, idéale pour un pompage efficace par diodes laser. Cependant, un défi majeur doit être relevé pour que le pompage par diode laser soit efficace : La largeur extrêmement étroite de la raie D, toujours inférieure à 1 GHz à basse pression.
Des tentatives d'ajustement de la largeur de raie du laser de pompage et de la raie d'absorption du rubidium (Rb) en augmentant fortement la pression du gaz tampon (comme l'hélium) ont été réalisées, mais sans résultats spectaculaires. Un tel élargissement par collision avec un gaz rare pourrait être utilisé pour ajuster les largeurs de raie du rubidium et du laser de pompage.
Détermination des courbes de potentiel précises du système Rb-gaz rare , puis des taux de transitions induits par collision entre divers niveaux du rubidium Une évaluation rigoureuse de la largeur spectrale et du taux de transition demande des courbes d'énergie potentiel précises des paires Rb-gaz rare (RG) envisagées. Les travaux réalisés au CIMAP, basés sur l'emploi de méthodes de chimie quantique avancées (coupled-cluster, interactions de configuration) et impliquant des potentiels effectifs de coeur [LECO26] pourront être utilisé dans le cadre de ce projet. Ils offrent d'excellentes perspectives pour le système Rb-RG qui n'ont pas été étudiés par cette méthode. Cette approche permet non seulement d'inclure correctement les effets de structure fine, mais également de prendre en compte les effets rotationnels et le couplage non-adiabatique radial nécessaire à l'étude des collisions dans la configuration excitée 5p du Rb (DOI: 10.1039/d5cp03880d).

Connaissances avancées en physique atomique et moléculaire. Bases de chimie quantique. Connaissance de la programmation en FORTRAN et C.