LE MONDE MERVEILLEUX DES LASERS!!!!

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1 LE MONDE MERVEILLEUX DES LASERS!!!! Patrick GEORGES Responsable du Groupe Laser et Biophotonique (LASBIO) et de l Équipe Lasers Solides et Applications (ELSA) du Laboratoire Charles Fabry de l Institut d Optique Ingénieur de l École Supérieure d Optique (1985) Docteur en Sciences Physiques (1989) 1

2 Plan de l exposé - Principes de bases - Applications «Grand Public» - Applications industrielles - Applications militaires - Applications spatiales 2

4 Emission du corps noir Rayonnement par luminescence E 2 E = hν photon E 1 particule 4

5 Interaction matière - lumière Trois processus principaux : E 2 photon absorption E = hν émission spontanée émission stimulée E 1 particule photon énergie lumineuse absorbée par le milieu pour exciter la particule (un atome, un ion, une molécule, un électron) désexcitation spontanée de l électron accompagnée de l émission de lumière désexcitation, provoquée par le photon incident, d un photon en tout point identique à l incident E 2 - E 1 = hν = énergie du photon h cte de Planck : 6, J/s 5

6 Qu est ce qu un laser? Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Amplification de lumière par emission stimulée Concentré de Physique Fondamentale (Mécanique Quantique) et de Physique Appliquée (Ingenierie) 3 éléments de base A. Un milieu Amplificateur B. Une source externe d énergie C. Une cavité résonante 6

7 L amplification LASER photon tous les photons émis sont identiques entre eux même direction même longueur d onde (λ = hc/ E) même phase même polarisation faisceau très peu divergent émission monochromatique faisceau cohérent 7

8 LASER : oscillateur optique - fréquence d oscillation : qq 100 THz (à 1 µm --> 300 THz) -émission stimulée pour le gain (pompage pour obtenir l inversion de population ) - contre réaction optique (cavité optique) Rétroaction positive Ampli Rétroaction optique par des miroirs --> interféromètre de Fabry-Pérot Énergie Analogie avec l oscillateur en électronique Z 1 Z 2 G Alfred Pérot Charles Fabry

9 Historique des lasers C Cavité résonante A Milieu amplificateur Cavité Emission Fabry Stimulée Perot B Source d energie Pompage Optique 1949 Synthèse Réalisation 1960 Einstein A. Kastler Maiman Schawlow Townes Basov Prokhorov 9

10 Le premier laser à rubis de Ted Maiman Miroirs Lampe flash (8 Juillet 1960, New York Times) 10

11 QuickTime et un décompresseur codec YUV420 sont requis pour visionner cette image. 11

12 Propriétés SPATIALES L émission LASER θ=λ/πw 0 Faisceau très directif, collimaté (divergence très faible, mais pas nulle!!) w 0 =1cm, q = rad à λ = 633nm, le faisceau double de taille au bout de 500 m! - Forte cohérence spatiale : focalisation sur des très petites dimensions possibles (~ λ, limite de diffraction) Luminance d un laser TEM 00 : P/ λ 2 Exemple : HeNe 1mW à 633 nm : L = 2, W/sr/m 2, 10 kw/m 2 Soleil 1 kw/m 2 au sol, 30 d arc : L = 1, W/sr/m 2 Profil Gaussien en général Conséquence de cette concentration dans l espace : densités de puissance énormes! 12

13 Gamma L émission LASER Propriétés SPECTRALES, émission des X au lointain IR Hyperfréquences X UV Visible Infrarouge Micro-onde Grande cohérence spectrale Faible largeur de raie --> excitation sélective de niveaux d énergie (refroidissement laser, horloge atomique) --> grande longueur de cohérence ( ν ν = 10 Hz, L = kms) Radi o Attention, il existe aussi des lasers à spectre large! (Dépend du type de milieu amplificateur utilisé) Propriétés TEMPORELLES Conséquence de cette concentration dans le temps : Puissances crêtes énormes (GW, TW voir PW!!!) --> possibilités s d effets d non linéaires (exple : doublement de fréquence quence) Fonctionnements possibles : Régime continu ou impulsionnel : durées : de la ms à la femtoseconde :4,5 fs (4, s à 800 nm et même 0,7 as dans le domaine des X, cadences : de < 1Hz au GHz 13

14 Les lasers : même principes de base, mais tous tellement différents. Différents types de milieux amplificateurs : - lasers à gaz - lasers solides (cristaux massifs, fibres optiques) - lasers à colorant - lasers à semiconducteurs Différentes sources de pompage : - pompage électrique - pompage optique (cohérent ou incohérent) - réaction chimique Différentes dimensions (qq µm 3 à plusieurs m 3 ) 14

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17 Stockage d informationsd : le Compact Disc TM Rotation du disque Surface réfléchissante Lentille de focalisation Lame quart d onde Cube séparateur de polarisation Trou Lentille convergente Photodiode quatre quadrants Lentille de collimation Réseau de diffraction (si besoin) Diode 800 nm, 5 mw cw Capacité : 650 Mo (limitée par la taille du faisceau de lecture) --> audio (74 mn) 17

18 Stockage d informationsd : le DVD (Digital Versatil Disk TM Accroissement des capacités : réduction de la longueur d onde de la diode de lecture, du proche infrarouge (800 nm) au rouge (630 nm). CD : - espacement entre les trous: 0,83 µm - espacement entre deux pistes: 1,6 µm DVD (Digital Versatil Disk TM TM ): - espacement entre les trous: 0,4 µm - espacement entre deux pistes: 0,74 µm Capacité des DVD: de 4,7 Go (simple face simple couche) à 17 Go (double face double couche) Nouvelle génération : Le "blu-ray", utilisation de diodes laser bleues (Nitrure de Gallium) à 400 nm --> augmentation de la capacité ( 27 Go, soit 2 heures de vidéo haute définitionou 13 heures de film vidéo compressé aux normes actuelles TM ) λ = 780 nm NA = 0,45 1,2 mm substrate capacity = 0,65 GBytes λ = 650 nm NA = 0,6 0,8 mm substrate capacity = 4,7 GBytes λ = 405 nm NA = 0, mm cover layer capacity = 25 GBytes 18

19 1995 : Découverte des diodes laser émettant à 400 nm à base de Nitrure de Gallium (GaN) par Shuji Nakamura de NICHIA (Japon) Enorme impact des DEL bleues sur l éclairage de demain!!! 19

20 Evolution de la puissance des microprocesseurs Loi de Moore* * Gordon Moore, co-fondateur d Intel 20

21 Principe de la photolithographie 21

22 LASER A EXCIMERES 0,5 à 1 m Xenon chloride : XeCl --> 308 nm Krypton fluoride : KrF --> 248 nm Argon fluoride : ArF --> 193 nm Molecular fluorine: F 2 --> 157 nm 100 kg 0,5 m 22

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24 LASIK : Laser-Assisted In Situ Keratomileusis Photo-ablation : chirurgie réfractive de la cornée pour la correction de la vue en utilisant un laser à excimère impulsionnel (UV) Resurfaçage interne de la cornée, assistée par ordinateur précision de 0,25 µm Laser à excimère keratectomie 24

25 Projection laser RVB 25

26 Projection laser, TV Laser 26

28 MARCHE MONDIAL DES DIODES LASERS (PAR TYPES D APPLICATIONS) D (Source: LASER FOCUS WORLD, Janvier 2007) 28

29 Liaison optique longue distance Utilisation de fibres optiques pour transmettre les informations Fibre de ligne Fibre de ligne Fibre de ligne Émetteur Diode laser continu modulateur R R Récepteur Codeur Modulation d intensité Codage binaire R: répéteur Décodeur Information Fibre optique : faibles pertes grande bande passante Travaux de Corning dans les années > forte diminution de l atténuation (de 100 db à 0,2 db par km) Répéteurs tous les 100 kms Bande vers 1550 nm 29

30 Avant 1995 : répéteurs r optoélectroniques Photodiode Amplificateur Électronique Remise en forme Émetteur Modulateur Alimentation Problème : la bande passante des amplificateurs optoélectroniques est limitée à 500 Mbits/s!!!! --> amplification tout optique (suppression du passage photons - électrons et ensuite électrons - photons dans les amplificateurs) --> augmentation du débit --> Amplificateur à fibre dopée erbium à 1,5 µm (Erbium Doped Fiber Amplifier ou EDFA) Découvert en 1984 par David Payne (University of Southampton) et Emmanuel Desurvire (Bell Labs) 30

31 Principe d un d amplificateur à fibre dopée à l erbium Entrée Isolateur optique Fibre optique dopée à l erbium Isolateur optique Sortie Coupleur 5 % Photodiode de contrôle Diode laser de pompe 0,98 µm Diode laser de pompe 1,48 µm Grande bande passante : jusqu à 40 Gbits/s étudié actuellement Coupleur 5 % Photodiode de contrôle Possibilité d amplifier plusieurs longueurs d onde en même temps --> Multiplexage en longueur d onde ou Wavelength Division Multiplexing (WDM) sur la bande d amplification de l ion erbium dans la matrice de silice ( nm) 31

32 Augmentation de la capacité par multiplexage en longueur d onde (WDM) 400 ps 2,5 Gbit/s 2,5 Gbit/s a b c d Emetteur optique à 2,5 Gbit/s λ1 Multiplexeur optique passif de 4 vers 1 --> pas de synchronisation requise entre les différents canaux 2,5 Gbit/s 2,5 Gbit/s a b c d 2,5 Gbit/s 2,5 Gbit/s a b c d 2,5 Gbit/s 2,5 Gbit/s a b c d Emetteur optique à 2,5 Gbit/s Emetteur optique à 2,5 Gbit/s Emetteur optique à 2,5 Gbit/s λ2 λ3 λ4 M U X W D M λ1 λ2 λ3 λ4 a b c d a b c d a b c d a b c d temps temps Quatre signaux électriques à 2,5 Gbit/s Signaux optiques à 2,5 Gbit/s (1 par fibre), chacun à une longueur d onde précise Signal optique à 2,5 Gbit/s (4 sur une seule fibre) 32

33 B. Clesca, Alcatel 33

34 Cables telecoms sous marins dans le monde 34

35 MARCHE MONDIAL DES LASERS (hors diodes) (PAR APPLICATIONS) (Source: LASER FOCUS WORLD, Janvier 2007) 35

36 Découpe/soudage/perçage par laser Acier d épaisseur 0,23 mm : Laser CO 2 2,5 kw à 10,6 µm Découpe à la vitesse de 150m/minute Avantages des lasers CO 2 : - forte puissance - fort rendement électrique-optique (50%) Inconvénients des lasers CO 2 : - faible absorption des métaux à 10,6 µm - pas de fibre optique à 10,6 µm pour le transport des faisceaux --> utilisation de lasers Nd:YAG pompés par lampes et fonctionnant à 1,064 µm (mais mauvais rendement élec-opt) 36

38 Bombes guidées laser et GPS (dual mode) Désignateurs / illuminateurs laser 38

39 Laser chimique pour destruction de missiles Chemical Oxygen Iodine 1,3 µm Désignation de la cible par laser Tir par laser chimique L énergie est délivrée par une réaction chimique exothermique dans le milieu amplificateur. Application principale: domaine militaire (arme anti-missile ou antisatellite). Ex: laser MIRACL (US army) : Aire faisceau = 14 cm 2 et Puissance = 2,3 MW. 39

40 Laser chimique embarqué Transport du faisceau Laser chimique Airborne Laser Program Miroir orientable 7 Boeing 747 équipés d un laser, 5 en permanence en vol 40

42 Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) de la mission Mars Global Surveyor (MGS) 42

43 CHEMCAM : instrument d analyse élémentaire des roches et des sols de Mars Analyse spectroscopique induite par ablation laser (Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) Lancement prévu Sept-Oct 2009 sur Atlas V Atterrissage sur Mars Juillet - Sept

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45 Bienvenue à l Institut d Optique Graduate School Bienvenue dans le Monde Merveilleux des Lasers 45