Les lasers : quoi, comment, pourquoi?

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1 Les lasers : quoi, comment, pourquoi? Thierry Lahaye LCAR, UMR 5589 du CNRS, Toulouse Délégation régionale du CNRS 8 novembre 2010

2 Il y a 50 ans naissait le laser 16 mai 1960, Theodor Maiman (Hughes Research Labs) : premier laser! Laser pulsé dans le rouge (694 nm) Curiosité de laboratoire : «Une solution qui attend son problème»

3 Aujourd hui, un outil incontournable Télécommunications (fibres optiques haut débit) Dans la vie quotidienne CD, DVD imprimantes laser lecteurs de code-barres Industrie découpe soudure alignements Médecine dermatologie ophtalmologie

4 Plan de l exposé 2. Quoi : qu est-ce qui différencie un laser d une autre source lumineuse? 5. Comment : quel est le principe de fonctionnement d un laser? 8. Pourquoi : quelles sont les applications des lasers?

5 Plan de l exposé Quoi : qu est-ce qui différencie un laser d une autre source lumineuse? Comment : quel est le principe de fonctionnement d un laser? Pourquoi : quelles sont les applications des lasers?

6 La lumière : onde et particule Lumière : Onde électromagnétique ET Flux de photons se propageant à c = m /s. Couleur : Longueur d onde λ = c / ν Energie des photons E = h ν ν = fréquence de l oscillation Un photon est caractérisé par son énergie et par sa direction de propagation (cela définit un mode du champ électromagnétique)

7 Source lumineuse classique (lampe) Toutes les directions Toutes les couleurs (lumière blanche) Beaucoup de photons, mais dans beaucoup de modes (très peu de photons par mode)

8 Source laser Faisceau unidirectionnel Lumière d une seule couleur («monochromatique») Tous les photons sont dans le même mode : c est ça, un laser!

9 Conséquences : nouvelles applications de la lumière On peut «concentrer» la lumière laser : spectralement (une seule couleur). Spectroscopie, métrologie temporellement (impulsion ultracourtes : s) spatialement : focalisation sur une tache de taille ~ 1 µm! Exemple : fortes intensités même si la puissance est «faible» Lampe de 100 W sur une surface de 10 m2 Laser de 1 W sur une surface de 100 µm2 1m I = 10 W/m2 I = 1010 W/m2

10 Plan de l exposé Quoi : qu est-ce qui différencie un laser d une autre source lumineuse? Comment : quel est le principe de fonctionnement d un laser? Pourquoi : quelles sont les applications des lasers?

11 LASER Acronyme «LASER» : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Rayonnement

12 LASER Acronyme «LASER» : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Rayonnement?

13 Emission et absorption de la lumière Les atomes ont des niveaux d énergie quantifiés et passent de l un à l autre par émission ou absorption de photons. avant : après : E2 E2 E1 E1 E2 E2 E1 E1 Absorption Emission spontanée

14 L émission stimulée (ou induite)

15 Inversion de population : amplificateur de lumière Avec plusieurs niveaux, on peut, par apport d énergie (pompage), avoir plus d atomes dans l état excité que dans l état fondamental. Energie (électrique, lumineuse, chimique ) Milieu actif (solide, liquide, gaz )

16 Résonateur optique Comment transformer un amplificateur en oscillateur? Rétroaction! (cf. effet Larsen) On place le milieu actif entre deux miroirs se faisant face (Fabry-Pérot) Miroir entièrement réfléchissant Miroir partiellement réfléchissant Faisceau laser utile L Condition de résonance L = n λ /2 (n entier) détermine la (ou les) longueur(s) d onde émise.

17 Le laser à rubis de Maiman (1960) Miroirs Lampe flash (pompage) Milieu actif (cristal de rubis)

18 Le laser He-Ne (1961) Milieu actif (décharge dans un mélange d hélium et de néon) Miroir de sortie Miroir Spot laser

19 Plan de l exposé Quoi : qu est-ce qui différencie un laser d une autre source lumineuse? Comment : quel est le principe de fonctionnement d un laser? Pourquoi : quelles sont les applications des lasers?

20 Des myriades d applications Télécommunications (fibres optiques haut débit) Dans la vie quotidienne CD, DVD imprimantes laser lecteurs de code-barres Industrie découpe soudure alignements Médecine dermatologie ophtalmologie

21 Un exemple : les télécommunications par fibre optique On peut guider la lumière par réflexion dans une gaine transparente : fibres optiques Avantages par rapport aux câbles électriques : Très faible atténuation Très haut débit d information ( conversations téléphoniques simultanées dans une seule fibre!) Prix Nobel de Physique 2009 : Charles Kao.

22 Un exemple en recherche fondamentale : atomes froids Refroidissement laser : atomes «ultrafroids» Température = mesure du degré d agitation des particules (atomes, molécules) du système Echelle Kelvin : T (K) = T ( C) + 273,15 Zéro absolu (0 K = -273,15 C) : plus d agitation thermique Température (K)

23 Un exemple en recherche fondamentale Refroidissement laser et atomes ultrafroids Température = mesure du degré d agitation des particules (atomes, molécules) du système Zéro absolu (0 K = -273,15 C) : plus d agitation thermique Température (K)

24 Pression de radiation

25 Ralentissement de particules Atome sortant d un four à 400 K (130 C) : vitesse typique 300 m/s A chaque absorption d un photon : sa vitesse diminue de 0,006 m/s On peut lui faire absorber photons en 1/1000ème de seconde : arrêt complet sur 1 mètre! Ralentisseur à effet Zeeman

26 Piégeage et refroidissement Avec six faisceaux selon trois axes orthogonaux : force de frottement visqueux. Mélasse optique Champ magnétique inhomogène : piégeage vers le centre (piège magnétooptique) Températures de quelques µk! Prix Nobel de Physique 1997 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W.D. Phillips

27 Refroidissement par évaporation Le refroidissement laser ne permet pas de diminuer indéfiniment la température : Nécessité d une autre technique de refroidissement! Refroidissement par évaporation Températures atteintes : quelques nk! (au prix d une perte de particules )

28 Condensation de Bose-Einstein Dualité onde-particule pour les atomes : Température décroissante Prédiction théorique par Einstein en 1924 Réalisation en 1995! Température décroissante Prix Nobel de Physique 2001 E.A. Cornell, W. Ketterle, C.E. Wieman Depuis avril 2010, aussi à Toulouse, au LCAR!

29 En pratique

30 «Lasers à atomes» Condensat : un grand nombre d atomes occupant le même état quantique. Laser : un grand nombre de photons dans le même mode du champ. Analogie condensat / laser! Coupleur de sortie («miroir semi-transparent») pour atomes : laser à atomes. On peut le guider dans un faisceau laser, qui joue le rôle de «fibre optique»! Condensat Laser à atomes

31 Conclusions Avec le transistor, le laser est sans doute la plus belle illustration du fait que la recherche fondamentale peut déboucher sur des applications totalement imprévues, avec à la clé des retombées économiques Marché des lasers: 6 milliards de $ / an!!!

32 Conclusions Avec le transistor, le laser est sans doute la plus belle illustration du fait que la recherche fondamentale peut déboucher sur des applications totalement imprévues, avec à la clé des retombées économiques Marché des lasers: 6 milliards de $ / an!!! et des découvertes fondamentales nouvelles!

33 Conclusions Avec le transistor, le laser est sans doute la plus belle illustration du fait que la recherche fondamentale peut déboucher sur des applications totalement imprévues, avec à la clé des retombées économiques Marché des lasers: 6 milliards de $ / an!!! TW Hänsch, Nobel Lecture et des découvertes fondamentales nouvelles!

34 Pour aller plus loin Journal du CNRS n 243, avril 2010 Reflets de la Physique n 21, octobre 2010 Le refroidissement laser expliqué simplement sur le site web du LKB :

35 Merci de votre attention!