I- STRUCTURE ET ELEMENTS DE BASE D UN LASER

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1 Laser: principe, éléments de technologie, impulsions et quelques applications Nicolas HUOT 1 62 e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

2 - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? I- STRUCTURE ET ELEMENTS DE BASE D UN LASER 2 62 e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

3 Structure et : Présentation - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Comme en électronique, un laser est un oscillateur Cavité émission stimulée C est là l originalité!! Pompage optique 2 objets à optimiser: - Milieu à gain - Cavité 3 62 e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

4 Structure et : Présentation - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Rappel de principe: différence entre émission spontanée et stimulée émission spontanée Equilibre thermodynamique avec un champ EM à T donnée: le Corps Noir Un corps chaud rayonne sur une certaine gamme de ou de Photon incident émission stimulée L émission est stimulée par la présence d un champ EM E n E m 4 62 e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014 h Photon incident + photon stimulé même direction, même phase même polarisation = photon jumeau

5 Structure et : Présentation - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Le pompage optique Il permet l inversion de population (n 2 -n 1 >0) 3> 2> Il faut au moins 3 niveaux. amplification par émission stimulée possible 1> Pomper= fournir de l énergie à l atome pour le placer dans un niveau d énergie élevée (niveau 3>) Techniques: électrique, collision, chimique, optique Choix du milieu amplificateur? Facilité de pompage (limite technologique) Section efficace d émission stimulée Domaine de longueur d onde d émission accessible Facilité de manipulation du milieu (milieu solide) Synthèse du milieu Spectroscopie Cristallogénèse 5 62 e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

6 Structure et : Présentation - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? La cavité: cas simple d une cavité linéaire Traité R max à 0 Coupleur de sortie, transmission ~30% Principe de l ingénierie des cavités: le front d onde du champ intra-cavité épouse la courbure des miroirs Cavité stable Cavité plan-plan: limite de stabilité Cavité confocale: 2 aller-retours pour sortir stable, waist (=«col» du faisceau) en F 1 =F 2 D Cavité plan-concave: stable, waist sur C Cavité sphérique quelconque: stable si D<R 1 +R e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

7 Structure et : Présentation - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Miroir plan haute réflexion Lame /2 Nd:YAG Modulateurs acousto-optiques Coupleur de sortie 50% Exemple de cavité linéaire (Nd:YAG pompé par diodes) Thalès Research and Technology Exemple de cavité en Z (cavité régénérative Ti:Sa) Laboratoire Hubert Curien / Thalès Laser 7 62 e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

8 Structure et : Question 1: modèle de rayon unique? - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Question courante: Est-ce vrai qu un laser n émet «qu un seul rayon»? Contexte pédagogique: -Vérification de la propagation de la lumière en ligne droite dans un MHTI -Observation de la réfraction à une interface laser = outil qui modélise «l émission d un rayon» Plan de réponse: -Notion de mode transverse -Cas du mode transverse fondamental TEM 00 -Un critère industriel d évaluation de la qualité de faisceau: facteur M 2 -Réponse concise 8 62 e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

9 Structure et : Question 1: modèle de rayon unique? - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Mode spatial (transverse) d une cavité : Structure identique à elle-même après un tour. Matrice caractérisant un aller-retour de cavité Vecteur propre: mode d ordre i Fonction propre de la cavité: M u i = i u i Valeur propre associée au vecteur propre u i : Déphasage dû à la propagation+pertes Mode transverse fondamental d une cavité : Par définition: celui qui voit le moins de pertes 1 i Onde initiale quelconque v=k 1 u 1 +k 2 u 2 + k m u m n aller-retours M n.v=k 1 1.u 1 + k 2 n 2.u k m n m.u m ~ k 1 n 1.u 1 Décomposition du champ initial sur la base des modes à déterminer Seul le mode fondamental subsiste Méthode informatique de détermination de tous les modes transverses d une cavité quelconque! 9 62 e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

10 Structure et : Question 1: modèle de rayon unique? - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Les faisceaux gaussiens : Modes analytiques pour des cavités simples Faisceau gaussien «standard» Les modes d ordre supérieur occupent un plus gros volume que le mode fondamental Conséquence: on peut filtrer les modes supérieurs avec un trou. Mode TEM 00 Mode d ordre supérieur Valable en symétrie rectangulaire C est différent en symétrie cylindrique e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

11 Structure et : Question 1: modèle de rayon unique? - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Résultat pour le mode gaussien fondamental TEM 00 : Coupe à z fixé: Profil d intensité : profil gaussien pour tout z, avec w=w(z) w = demi-largeur à 1/e en amplitude demi-largeur à 1/e 2 en intensité Evolution de w(z) au cours de la propagation: Divergence: w 0 Waist w 0 : demi-largeur minimale front d onde plan. Longueur de Rayleigh: zone sur laquelle le faisceau n a quasiment pas divergé e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014 Z r w 2 0

12 Structure et : Question 1: modèle de rayon unique? - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Un critère d évaluation de la qualité de faisceau: le facteur M 2 : w 0 0 Faisceau idéal (gaussien TEM 00, limité par diffraction) M 2 >1 2 w0 M Faisceau dégradé «À taille focalisée identique, un faisceau dégradé diverge M 2 fois plus qu un faisceau gaussien» Conséquence pratique: Le waist se trouve sur le coupleur de sortie (front d onde plan) Le faisceau diverge donc au-delà du coupleur de sortie Pour qu il diverge le moins possible à taille de faisceau donnée, il faut M 2 le plus faible possible donc un mode TEM e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

13 Structure et : Question 1: modèle de rayon unique? - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Réponse concise : Est-ce vrai qu un laser n émet «qu un seul rayon»? On ne parle pas de rayon mais de mode transverse. Tous les lasers de nos établissements sont de faible puissance et donc TEM 00 (sauf des diodes laser) A taille de faisceau de sortie fixée, ils ont la divergence la plus faible possible Ordre de grandeur: w = 1 mm donc ~0.2 mrad à =600 nm A l échelle d une paillasse de TP, le faisceau est «petit et ne diverge pas» C est donc un bon modèle de «gros» rayon lumineux e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

14 Structure et : Question 2: de la couleur au spectre en fréquence - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Question simpliste a: Un laser émet-il toujours une lumière rouge? Question moins simpliste b: Pourquoi dit-on qu un laser est monochromatique? Question plus fine c: Un laser qui émet de façon monochromatique est-il monofréquence? Contexte pédagogique: -Présentation des différentes sources de lumière (spectre continu ou discret) -Comparaison lumière blanche/source laser ou lampe à sodium / source laser Plan de réponse: -Notion de mode longitudinal -Analyse en fréquence de l émission dans la bande de gain -Fonctionnement multifréquence ou monofréquence -Réponse concise e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

15 Structure et : Question 2: de la couleur au spectre en fréquence - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Condition d oscillation: l onde après un AR de cavité doit être en phase avec l onde incidente Somme interférométrique de N ondes au niveau du coupleur de sortie: -finesse des pics liée à la finesse de la cavité (~nbre d aller-retours effectués par l onde avant de sortir) Cavité Fabry-Pérot plan-plan (intensité normalisée) -finesse augmente avec le coefficient de réflexion des miroirs Intervalle spectral libre (ISL): =c/(2l) (cavité plan-plan) =c/(4l) (cavité confocale) (fréquence) e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

16 Structure et : Question 2: de la couleur au spectre en fréquence - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Modes longitudinaux : Emission en fréquence = combinaison de 2 effets Filtrage spectral de la cavité (type Fabry-Pérot, ISL) Courbe de gain du milieu (caractéristique spectroscopique durée de vie du niveau excité dépend de chaque transition radiative) Niveau de pertes Seules certaines fréquences sont permises Fréquences émises démarrent pour gain>pertes Modes longitudinaux 4 modes longitudinaux Fonctionnement multimode longitudinal (ou multifréquence) e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

17 Structure et : Question 2: de la couleur au spectre en fréquence - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Réduction du nombre de modes longitudinaux? 2 possibilités technologiques (à transition radiative donnée) Augmentation de l ISL Modulation en fréquence des pertes =c/(2l) (cavité plan-plan) Filtre interférentiel intracavité Donc diminuer L Ex: Filtre de Lyot Microlaser 1 mode longitudinal Niveau de pertes CEA LETI: 0.5 mm 3 Fonctionnement monomode longitudinal (ou monofréquence) e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

18 - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Structure et : Question 2: de la couleur au spectre en fréquence Réponse concise a: Un laser émet-il toujours une lumière rouge? Evidemment non! Cela dépend de la transition radiative étudiée (raie d émission). Chaque milieu peut en avoir plusieurs. Elle peut être sélectionnée par les traitements diélectriques haute réflexion des miroirs. (trop de pertes pour qu une autre raie puisse être émise) Laser rouge = cas très répandu du laser He-Ne sur la raie à 633 nm Réponse concise b: Pourquoi dit-on qu un laser est monochromatique? Monochromaticité = analyse de l émission en spectromètre Résolution typique d un spectromètre à fibre de TP: résol ~ 0.2 nm Largeur typique de la raie d émission He-Ne: ~ 3 GHz soit, =c/ et / = /, émission ~ nm émission correspond à un seul pixel sur le spectromètre monochromatique e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

19 Structure et : Question 2: de la couleur au spectre en fréquence - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Réponse concise c: Un laser qui émet de façon monochromatique est-il monofréquence? Ecart typique entre 2 modes longitudinaux successifs pour un laser He-Ne de TP, L=15 cm: ISL = c/(2l) = 1 GHz Il lui correspond modes = 2. ISL /c ~ nm impossible à voir au spectromètre Réponse: NON, pas toujours. Le caractère monochromatique est une analyse «grossière». Une analyse précise en fréquence permettra de distinguer les régimes monomode ou multimodes longitudinaux. Pour cela, il faut un outil d analyse de spectre optique: Fabry-Pérot confocal à miroir vibrant par cale piezoélectrique alimentée par une rampe de tension e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

20 Structure et : Question 2: de la couleur au spectre en fréquence - Présentation - Question 1: rayon unique? - Question 2: couleur, spectre? Remarque sur la notion de modes: Dans qu un phénomène physique est contraint dans un volume limité, les grandeurs physiques associées prennent des valeurs discrètes 1- niveau d énergie d un électron dans un puits de potentiel (application: physique des semi-conducteurs avec la technologie de la micro-électronique) 2- modes guidés dans une fibre optique (application: télécom haut débit avec fibre monomode) 3- modes transverses dans un laser (application: contrôle de la qualité spatiale, M 2 ) 4- modes longitudinaux dans un laser (application: laser monofréquence asservi pour la métrologie ou l optique quantique) e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

21 II- IMPULSIONS e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

22 Impulsions: Question 3: puissance atteignable? - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Question courante: Quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? Contexte pédagogique: -Comparaison des sources lumineuses: lampe halogène de 100 W et laser - Analyse documentaire ex: laser Mégajoule Plan de réponse: -Régime continu et impulsionnel -Puissance moyenne et puissance crête -Réponse concise e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

23 Impulsions: Question 3: puissance atteignable? - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? En régime continu : Emission stabilisée à Gain=Pertes Puissances de sortie très élevées (MW) : Puissances de pompage considérables En régime impulsionnel : Destruction des matériaux Limite à qq 100 W Puissances considérables réalisables. mais disponibles sur un temps court puissance crête e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

24 Impulsions: Question 3: puissance atteignable? Puissance moyenne et puissance crête : - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Cadence= fréquence de répétition=1/t Largeur d impulsion= largeur à mi-hauteur= p Energie par impulsion, en J, notée E p exemple 100 Hz exemple 10 ns exemple 3 mj Puissance crête= P crête, puissance évaluée sur la durée de l impulsion e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014 P crete E p p On obtient 0,3 MW Puissance moyenne=p moy, nbre de J accumulés pendant 1 s. P E cadence moy E p p On obtient 300 mw T

25 Impulsions: Question 3: puissance atteignable? - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Réponse concise : Quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? En régime continu ou en puissance moyenne, la puissance reste limité à la centaine de W pour des raisons thermiques principalement. En régime impulsionnel, un laser peut atteindre des puissances crêtes considérables (au moins W ), mais dans ces cas extrêmes, l impulsion lumineuse dure moins d 1 ps! e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

26 Impulsions: Fonctionnement relaxé - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Pompage par une impulsion assez longue ( s) Fonctionnement en régime transitoire non reproductible, pas de régime stationnaire Profil de pompage t t Profil d inversion de population tenant compte de la saturation du gain par l émission laser Profil temporel typique d une émission relaxée Aucun contrôle précis des séries de pics e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

27 Impulsions: Fonctionnement déclenché - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Principe : Soit une transition entre un niveau dit «haut» n 1 et un niveau «bas» n 0. Cavité vide: inversion de population n 1 -n 0 peut augmenter par pompage laser sous le seuil pertes élevées ou pompage faible Emission laser: saturation du gain: le champ laser «consomme» de l inversion de population: dépeuplement du niveau n 1 par émission stimulée Fonctionnement déclenché: «commutation de pertes» «commutation de facteur de qualité de la cavité» terme anglais très courant «Q-switch» 1-Bloquer la cavité pour permettre au niveau haut de se peupler au maximum 2-Fermer la cavité le plus vite possible pour dépeupler le niveau d un seul coup e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

28 Impulsions: Fonctionnement déclenché - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Chronogramme typique : Cavité vide Niveau haut dépeuplé d un coup qques 10 ns Commutation très rapide des pertes Il faut un système de commutation très rapide e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

29 Impulsions: Fonctionnement déclenché - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Le déclenchement en pratique : 1- Système mécanique: prisme ou miroir tournant Il faut > t/min sinon plusieurs impulsions 2- Système électrique: électro-optique (commutation électrique de polarisation) performant jusqu à environ 10 khz cellule de Pockels, commute 5 kv en 2 ns!! 3-Système passif: acousto-optique (désalignement de cavité par diffraction sur un réseau acoustique commutable électriquement) performant jusqu à environ 100 khz absorbant saturable (colorant) (pertes élevées par absorption jusqu à ce que l absorbant sature= ne puisse plus absorber +) simple, pas cher, mais vieillit mal, et instable. déclenchement par le gain la pompe est déjà ns pb reporté sur la pompe e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

30 Impulsions: Fonctionnement en blocage de modes Description mathématique : Mode longitudinal ISL - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? N k k k avec k 0 k N exp 2 E t E i t k aléatoire k I max k fixé MODES BLOQUES Intensité bruitée résultant de la sommation (interférométrique) de modes ayant des phases aléatoires Intensité résultant de la sommation (interférométrique) de modes verrouillés en phase N augmente I max augmente et diminue: il faut beaucoup de modes e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

31 Impulsions: Fonctionnement en blocage de modes Description intuitive : 1-Chaque mode produit une onde stationnaire(os) - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? 2-Fréquence k décallée période de l OS change 3-Somme interférométrique de toutes les OS un pic Circulation du pic d intensité dans la cavité 4-Extraction partielle à chaque AR de cavité i.e. t=2l/c cadence du laser e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

32 Impulsions: Fonctionnement en blocage de modes Le blocage de modes actif : 1-Système actif : acousto ou électro-optique modulation d intensité (A.O.) ou de phase (E.O.) à f=c/2l - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? k-1 Modulation k k+1 bandes latérales en f (cf TP «modulation d amplitude») f Battement: constructif si k = k+1 blocage de modes Limites: - commutation rapides de tension et même de HT (électro-optique) - nécessite un réglage très précis de la fréquence de modulation sur l intervalle spectral libre de la cavité e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

33 Impulsions: Fonctionnement en blocage de modes - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Le blocage de modes passif : Utiliser un effet qui donne à la cavité un comportement plus favorable au blocage de modes qu au régime continu «Plus favorable»= moins de pertes Démarre sur le bruit A absorbants saturables Régime continu Absorbe fortement Blocage de modes Absorption très faible B par lentille de Kerr, connu sous le nom «Kerr-Lens Mode-locking (KLM)» Très utilisé dans les lasers solides car simple, voire «magic mode-locking» Trop de pertes par le diaphragme Pas d émission Pas de pertes par le diaphragme Émission efficace possible n dépend de I(x,y,t): effet de lentille Diaphragme=filtre e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

34 Impulsions: Question 4: armes laser (destruction)? Question courante: Est-ce vrai que l on peut tout détruire avec un laser? - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Contexte pédagogique: -Présentation des sources lumineuses -Equation de la chaleur avec terme source, chauffage par rayonnement Plan de réponse: -Quelques bases d intéraction laser-matière -Réponse concise e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

35 Impulsions: Question 4: armes laser (destruction)? - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? Quelques bases d intéraction laser-matière dans le cas de métaux : Ablation de matière = chauffage, changement(s) d état(s) + apport d énergie cinétique Chauffage = énergie électromagnétique absorbée par le milieu Problème = Comparaison des échelles de temps propres à chaque effet Durée d impulsion 100 fs à ns Résultats: Temps typique de diffusion thermique hors de la zone éclairée (~10 ns) Temps de thermalisation électron-phonon (~10 ps) Seuil d ablation : Énergie absorbée par les e - Equilibre thermodynamique avec le réseau d ions Indépendant de impulsion pour impulsion <10 ps ~ 1 J.cm -2 pour tous les métaux e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

36 Impulsions: Question 4: armes laser (destruction)? - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? 2 régimes typiques d ablation de matière: Régime ultra-bref Régime ns et plus Impulsion fs-ps Seuil faible ~1 J.cm -2 Pas d interaction entre lumière et plasma Ejection de matière avant la diffusion thermique Impulsion qques ns en pratique Seuil + élevé augmentant en impulsion interaction entre lumière et plasma (redépôt) Illumination et diffusion thermique simultanés Ablation à effet thermiques réduits Ablation à effet thermiques importants (a) 50 µm (b) Cuivre 100 µm, 8 Jcm -2 a) 180 fs, b) 8 ns e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

37 Impulsions: Question 4: armes laser (destruction)? Réponse concise : Est-ce vrai que l on peut tout détruire avec un laser? - Question 3: quelle puissance peut-on atteindre avec un laser? -Fonctionnement relaxé - Fonctionnement déclenché - Blocage de modes - Question 4: et les armes laser? A l échelle microscopique: OUI, il suffit de «taper fort»! Exemple: laser impulsionnel 10 ps, 100 J, focalisé par un objectif de microscope sur un diamètre de 10 m U = 100 J.cm -2 Ablation de tous les matériaux, même les diélectriques à seuil > 10 J.cm -2. A l échelle macroscopique: c est impossible. Laser comme arme limité à de l illumination de cible («désignation laser») pour asservissement de tir optronique militaire e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

38 -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source moins puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? III- LE LASER DANS L INDUSTRIE e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

39 Le laser dans : Panorama des applications industrielles Les marchés du laser industriel : Evolution Laser du Materials marché Processing mondial des Systems systèmes de procédés World Market industriels by Application par laser -Panorama des applications indutrielles OPTECH CONSULTING Other Autres applications - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source aussi puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? Milliards d euros EUR Billion Micro processing usinage Marking Marquage Cutting Découpe and welding et soudure e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

40 Le laser dans : Panorama des applications industrielles -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source aussi puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? Marché Laser mondial Materials des Processing systèmes Systems de procédés industriels World Market laser par by User type Industry, d industrie, sous-traitance Job shops Other Autre non-metal procédés processing non-métaux industry Other Autre metal procédés processing sur métaux industry Semiconductor / Semi-conducteurs microelectronics ind. Industrie Printed des circuits board imprimés industry Industrie Elektromechanical électromécanique industry Industrie Automotive automobile industry OPTECH CONSULTING Millions EUR Million d euros e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

41 Le laser dans : Panorama des applications industrielles Coût des systèmes : Laser scientifique commerciaux (laboratoires, centres de recherche) : -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source moins puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? Laser continu Ti:Sa monofréquence accordable (~ 40 keuros) Laser ns Nd:YAG doublé 20 mj (~ 20 keuros) Machines industrielles (environnement usine, production, industrie lourde) : Machine de marquage Machine de marquage Laser fibré 10 W Laser CO W Pièce 18x18 cm 2 (Trotec) Pièce 73x43 cm 2 (Trotec) e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

42 Le laser dans : Question 5: pourquoi un tel coût? -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source aussi puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? Question courante: Pourquoi payer si cher pour obtenir une source de même puissance qu une lampe halogène? Contexte pédagogique: -Question typique d ADS en TIPE aux concours Plan de réponse: -Luminance d une source -Comparaison photométrique -Réponse concise e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

43 Le laser dans : Question 5: pourquoi un tel coût? -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source aussi puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? Luminance d une source : L P W S 2. cm sr Etendue géométrique, paramètre intrinsèque du faisceau, indépendant de sa focalisation Comparaison photométrique : Donnée photométrique la plus pertinente. S, angle solide ~. 2 espace: 4 sr e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

44 Le laser dans : Question 5: pourquoi un tel coût? -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source aussi puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? Réponse concise : Pourquoi payer si cher pour obtenir une source de même puissance qu une lampe halogène? Pour une source continue, le laser est la meilleure source capable de fournir beaucoup de photons pour lesquels les informations sont maximales information = somme de données physique sur la particule, comme: - position (fixée par l étendue géométrique, paramètre S) - vitesse (liée au vecteur d onde k et donc à la divergence, également fixée par l étendue géométrique et l angle solide ) - fréquence de l onde associée à la particule Pour une source impulsionnelle, il faut rajouter la possibilité que tous ces photons arrivent en un temps pouvant descendre à ~qq 10 fs Objectif pour réduire les coûts: déterminer les paramètres physiques indispensables à son étude (grosse puissance moyenne, impulsions courtes, faisceau limité par diffraction? ) pour relâcher les autres contraintes technologiques. Rem: les avantages d une grande longueur de cohérence sont ici ignorés e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

45 Le laser dans : Vers un laser idéal? Défi technologique: laser à forte luminance : L P M Augmentation de la puissance Diminution de M 2 -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source aussi puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

46 Le laser dans : Vers un laser idéal? Exemple d ingénierie du pompage : Amplificateur Nd:YAG pompé par 5 barrettes de diodes laser (808 nm) en pentagone autour du barreau. -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source aussi puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

47 Le laser dans : Vers un laser idéal? Orientations technologiques pour la qualité de faisceau : -Panorama des applications indutrielles - Question 5: Pourquoi payer si cher pour avoir une source aussi puissante qu une lampe halogène? -Vers un laser idéal? Remarque: écarter le choix intermédiaire: effet de battement entre les différents modes transverses profil instable Choix: dépend de la priorité pour l application (Puissance seuil? Eclairement seuil?) e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

48 CONCLUSION e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014

49 Thèmes abordés : Principes fondamentaux du laser, en continu et en régime impulsionnel Eléments de réponse à des questions courantes d élèves Présentation du laser dans les applications industrielles Quelle suite? Ingénierie des sources à haute luminance: Ingénierie du pompage Ingénierie de cavité Éléments optiques «standard» -système fixe, en régime permanent -holographique -optique diffractive Correction des aberrations (thermiques) -système adaptatif: -optique non linéaire -optique adaptative -tenue au flux des systèmes? e congrès de l UdPPC Lyon octobre 2014