Les LASERS et leurs applications - III

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1 Les LASERS et leurs applications - III Sébastien FORGET Maître de conférences Laboratoire de Physique des Université Paris-Nord Merci à Sébastien Chenais (LPL, Paris-Nord) Et à Patrick Georges (Institut d Optique,, Paris XI) pour leur contribution à ce cours.

2 Plan général du cours I. Les principes de base du laser II. Les différents types de lasers III. Applications des lasers continus Stockage d informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux IV. Les lasers à impulsions courtes courtes (nanoseconde( et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) V. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser Petawatt )

3 Troisième partie Application des lasers Stockage d information Telecoms Mesures optiques Shows lasers Traitement des matériaux Médecine

4 Fonctionnement Continu - On pompe le laser et le gain augmente. - Lorsque le gain DÉPASSE les pertes (SEUIL( SEUIL), l oscillation laser s installe dans la cavité - Le gain est alors FIXE et EGAL aux pertes. - Le laser est en régime stationnaire. En pratique : - Pour des puissances faibles (<100 mw) et si la longueur d onde requise le permet : on essaie d utiliser des diodes laser (coût) - pour des puissances supérieures : ça dépend de l application

5 Stockage d informations Lecture du CD-R ou RW La reflexion du laser est différente sur un «plat» (land) et sur un «saut» (bump) entre deux plats.

6 CD vs DVD Stockage d informations Le DVD (Digital Versatil Disc) permet de stocker plus d information en réduisant la taille des cuvettes unitaires Comment? En reduisant la longueur d onde du laser! En effet Diamètre min. possible λ² (lois de la diffraction) Passage du proche IR (800 nm pour CD) au rouge (630 nm pour DVD) 700 Mo à 4.7 Go (DVD simple) voire 17 Go (double face double couche) L avenir : le Blue Disk Utilisation de diodes lasers BLEUES : capacité augmentées à 27 Go (= 13 h de vidéo compressée)

7 Stockage d informations Principe du CD/DVD-R Ecriture du CD-R Laser Focalisé chauffe le colorant organique Déformation du substrat plastique = formations de bosses et de trous ( 0 ou 1 )

8 Stockage d informations CD réinscriptibles : CD-RW Materiau pour CD réinscriptibles : alliage de métaux présentant 2 Phases (cristalline et amorphe) La même diode laser peut fonctionner à 3 puissances différentes : forte puissance : changement de phase par chauffage de cristallin (réfléchissant) amorphe (opaque) : ECRITURE puissance moyenne : amorphe cristallin : EFFACAGE puissance faible : LECTURE Alliage (AgInSbTe)

9 Télécoms Téléphonie et Internet : communications par fibre optique demande exponentielle de bande passante pour la vidéo (mais besoins surestimés lors de la «bulle télécom» en 2000) Aussi : Communications inter-satellites (espace libre)

10 Télécoms La Fibre Optique C

11 Télécoms C Diode laser de faible puissance, à 1.55 µm

12 Télécoms Amplificateurs Optiques C

13 Télécoms

14 Télécoms C

15 Mesures Optiques L utilisation des lasers permet d augmenter la précision et la diversité des mesures : Utilisation du caractère ondulatoire cohérent (interféromètres)) = précision meilleure que λ! Directivité : le laser permet de matérialiser des lignes parfaitement droites Puissance : mesure sur des grandes distances (ex : mesure distance terre-lune lune, lidar)

16 Mesures Optiques Mesure de la distance Terre-Lune Observatoire de la Côte d Azur, plateau de Calern Un laser envoie 10 pulses par seconde en direction de la Lune. Le nombre de photons réfléchis est très faible, de l'ordre d'un photon par 100 tirs, collecté par un télescope de 1.5 m de diamètre. L'intervalle de temps entre l'émission des pulses lumineux et la réception du signal en retour, entre 2.3 et 2.8 secondes, fournit la distance Terre-Lune. Cet intervalle est mesuré avec une précision de 7 à 10 ps, ce qui fournit une distance entre l'émetteur et le récepteur à 3mm près en moyenne.

17 Mesures Optiques Principe (valable aussi avec les satellites) Diamètre du faisceau sur la lune : 10 km (1.3 km théoriques en corrigeant les perturbations atmosphériques par une optique adaptative haut de gamme ) laser Nd:YAG doublé en fréquence émettant à 10 Hz : chaque tir est composé d'une impulsion d environ 300 ps. L'énergie par tir est de 400 mj, soit 200 mj dans le vert et 200 mj dans le proche Infrarouge (IR).

18 Mesures Optiques Le LIDAR (=LIght Detection and and Ranging,, = RADAR optique) Même principe : la mesure du temps d aller-retour retour du laser permet d obtenir la hauteur de la cible visée, et donc de cartographier la zone.

19 Mesures Optiques Interférométrie, Holographie Mesure de déplacements ou de déformation sub microniques Possibles grâce à la cohérence des lasers utilisés ( à gaz en général, typiquement He-Ne Ne)) Exemple : Pour mesurer des défauts d épaisseur, on utilise des interféromètres (Zygo, Fizeau, Michelson). La modification de la figure d interférences est fonction du chemin optique supplémentaire parcouru par le rayon, ie: du défaut d épaisseur. On peut ainsi en analysant complètement l interférogramme déterminer l état de surface d un composant optique.

20 Gyrolaser Mesures Optiques Mesure de rotations Indispensables dans les avions,, les satellites, les sous-marins marins Deux rayons laser se réfléchissent sur 3 miroirs afin de former un triangle. L'un parcourt le triangle dans le sens trigonométrique, l'autre dans le sans anti-trigonométrique. Si le gyroscope est immobile, les deux rayons mettront le même temps pour parcourir le triangle. Par contre, si le système est mis en mouvement, la durée de la trajectoire d'un des rayons augmentera tandis que l'autre diminuera. Ainsi, on peut en déduire l'angle de rotation que le système a subi. Codes Barres Diodes lasers rouges Détecte les variations de reflexion entre bandes noires et blanches

21 Mesures optiques Autres exemples : Mesure de fréquences Mesure du temps (Horloges Atomiques) Mesures spectroscopiques Gyromètres Mesures de direction pour pointé (guidage de missiles, niveau laser pour architectes ) Lecture de codes-barres dans les supermarchés

22 Shows laser Shows lasers : lasers visibles continus Argon, Krypton,, Laser solides solides + conversion de fréquence

23 Traitement des matériaux

24 Traitement des matériaux

25 Médecine Chirurgie «esthétique» Les lasers continus sont recherchés pour des traitements nécessitant un chauffage localisé : Laser CO 2 AVANT APRES