Les lasers de puissance à impulsions ultracourtes

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1 25/02/ Par Jerôme Kasparian, Physicien - Chercheur au CNRS Les lasers de puissance à impulsions ultracourtes On trouve aujourd hui des lasers un peu partout autour de nous : dans les films de science-fiction bien sûr, mais aussi dans l industrie pour découper ou percer des matériaux, dans les lecteur de CD, dans les télémètres lasers ou les bistouris des chirurgiens. Il existe autant de types de lasers que d applications : continus ou impulsionnels, de toutes les couleurs, avec des longueurs d ondes allant de l ultraviolet à l infrarouge, produits dans des gaz, des liquides, des cristaux, des semiconducteurs Page 1/7 - Les lasers de puissance à impulsion ultra-courte On trouve aujourd hui des lasers un peu partout autour de nous : dans les films de science-fiction bien sûr, mais aussi dans l industrie pour découper ou percer des matériaux, dans les lecteur de CD, dans les télémètres lasers ou les bistouris des chirurgiens. Il existe autant de types de lasers que d applications : continus ou impulsionnels, de toutes les couleurs, avec des longueurs d ondes allant de l ultraviolet à l infrarouge, produits dans des gaz, des liquides, des cristaux, des semiconducteurs Expérience de diffusion d'un laser ultrabref sur un nuage de gouttes d'eau. Page 1 / 12

2 Un laser est caractérisé par une émission de lumière dite cohérente : tous les photons émis ont la même longueur d onde, la même phase et la même direction. Autrement dit, le laser produit un rayon intense, directionnel, d une couleur bien définie. Parmi ces lasers, une classe bien particulière produit des impulsions extrêmement courtes, de moins d un millionième de millionième de seconde : c est celle qui nous intéresse dans ce dossier. Page 2/7 - Le principe du laser Avant de décrire plus particulièrement les lasers à impulsions ultrabrèves, revenons rapidement sur le principe de fonctionnement de tous les lasers. 1 - Un peu de physique Le principe physique du laser a été décrit en 1917 par Einstein, il repose sur trois phénomètes physiques qui décrivent l interaction d un atome avec la lumière. - l absorption : un atome qui reçoit un photon de longueur d onde adéquate, peut l absorber. Il est alors dans un «état excité». - l émission spontanée : l atome excité peut revenir dans son état initial, appelé «état fondamental», en laissant partir un photon de même longueur d onde que celui qu il avait absorbé pour passer dans l état excité. - l émission stimulée : lorsqu un atome excité reçoit un photon dont la longueur d onde aurait permis de l exciter s il avait été dans son état fondamental, ce photon peut «déclencher» (on dit «stimuler») la désexcitation de l atome. L atome va alors émettre un deuxième photon, de même longueur d onde que celui qu il a reçu, mais aussi dans la même direction et avec la même phase que le premier. L atome excité joue alors le rôle de «photocopieuse à photons». La figure 1.1 ci-dessous illustre ce mécanisme. Figure 1.1. Les processus physiques qui sous-tendent le laser. De gauche à droite : excitation d un atome par absorption d un photon, désexcitation d un atome par émission spontanée d un photon, désexcitation d un atome par émission stimulée d un photon. 2 - Construire un laser L effet laser repose sur l émission spontanée. Imaginons un matériau, le milieu amplificateur, où les atomes sont pour la plupart dans un état excité. Tôt ou tard, un atome va émettre un photon par émission spontanée, et ce photon va entraîner une cascade d émissions stimulées qui vont le «photocopier» un grand nombre de fois, jusqu à atteindre une grande puissance : le faisceau laser est là. (Figure 1.2). Pour assurer une émission dans la direction choisie, et augmenter l effet de l émission stimulée, on place le milieu amplificateur entre deux miroirs de manière à ce que la lumière fasse plusieurs allers-retours avant d être émise : grâce à cette cavité optique, l amplification gagne en efficacité. Page 2 / 12

3 Figure 1.2. Amplification de photons. Les points rouges représentent les atomes excités La variété des lasers provient de la variété des milieux amplificateurs, mais aussi des techniques utilisées pour y exciter les atomes : avec des décharges électriques, une lampe, un autre laser, une réaction chimique Page 3/7 - Les particularités des lasers ultracourts (un peu de technique) 1 - Produire une impulsion laser ultra-brève Un laser «classique» est construit pour maximiser la cohérence du faisceau émis. En particulier, en jouant sur la géométrie de la cavité laser, on cherche à obtenir une émission «monomode», c est-à-dire que l on ne veut autoriser l émission que dans une direction bien précise, à une longueur d onde bien précise. Mais le principe d incertitude d Heisenberg interdit les impulsions trop courtes pour un laser monomode. Or, on veut produire des impulsions de 100 fs ou moins, soit un dix-millionième de millionième de seconde. On va donc choisir un matériau laser qui peut émettre sur une large bande, (plusieurs dizaines de nanomètres de largeur spectrale), et construire la cavité de manière à autoriser l effet laser sur toute cette plage de longueurs d onde, donc sur un grand nombre de modes. Reste à synchroniser tous ces modes : l impulsion émise ne sera courte que si tous sont émis en même temps. Mais chacun d entre eux est synchronisé aléatoirement, en fonction de l émission spontanée qui lui a donné naissance. Pour y remédier, on ajoute dans la cavité un «absorbeur saturable», qui est opaque aux faibles intensités lumineuses, lorsque les modes sont répartis dans le temps, mais qui laisse passer les plus intenses, c est-à-dire lorsque les modes se trouvent arriver simultanément. Ainsi, on ne peut amplifier que les impulsions courtes, et ce sont elles qui sont émises : c est le verrouillage des modes. Il reste ensuite à les amplifier encore, pour obtenir des impulsions de forte puissance. Page 3 / 12

4 Figure 2.1. Principe du verrouillage des modes. En haut : lorsque les modes ne sont pas synchronisés, ils sont bloqués par l absorbeur saturable. Lorsqu ils sont synchronisés, l intensité est suffisante pour qu une impulsion ultra-courte soit transmise puis amplifiée. 2 - Amplifier une impulsion laser ultra-brève Il est impossible de produire en une seule étape des impulsions laser ultrabrèves et de forte puissance. On doit donc d abord produire des impulsions brèves, puis les amplifier pour les amener au niveau de puissance désiré. Mais les impulsions courtes, après amplification, ont une telle puissance qu ils risqueraient d endommager les composants optiques qu ils traversent y compris les cristaux de l amplificateur laser! Lors de l amplification, on doit donc utiliser une technique particulière, appelée «amplification à dérive de fréquence» : cette technique a été mise au point en 1985 par l équipe de Gérard Mourou à l Université du Michigan. Elle est représentée schématiquement sur la figure 2.2. ci-dessous. Figure 2.2. Principe de l amplification à dérive de fréquences. Les valeurs d énergie par impulsion, de durée d impulsion et de cadence sont indicatives. Dans cette technique, on profite de la grande largeur spectrale des impulsions ultrabrèves issues de l oscillateur pour les allonger l impulsion, de manière réversible. Grâce à un réseau de diffraction, on sépare chaque composante spectrale (chaque «couleur») de l impulsion, et on leur fait parcourir un chemin de longueur différente avant de les recombiner dans le même faisceau grâce à un second réseau. (voir un exemple figure 2.3). On obtient ainsi une impulsion allongée mille fois, qui va pouvoir traverser les amplificateurs sans les endommager, et ainsi atteindre Page 4 / 12

5 l énergie souhaitée, jusqu à plusieurs joules par impulsion, voire plus. Figure 2.3. Principe d un étireur En fin d amplification, on recombine toutes les composantes spectrales dans un système nommé compresseur, qui fonctionne sur le même principe que l étireur, mais inversé. Toutes les composantes spectrales arrivent de nouveau ensemble, on retrouve donc l impulsion brève, mais l énergie qu elle a reçue pendant l amplification, associée à sa courte durée retrouvée, lui donne une puissance très élevée. Page 4/7 - Quelques applications des lasers femtoseconde Les lasers ultrabrefs ont la particularité de concentrer l énergie de leurs impulsions dans un temps très bref et donc de fournir une très grande puissance pour une énergie raisonnable. 1 - Un laser pour découper Une impulsion de 100 fs n a pas le temps de chauffer a matière qu elle illumine. Cet avantage est très intéressant pour réaliser un usinage laser de précision. Le laser est couramment utilisé depuis plus de 20 ans pour l usinage, en particulier pour découper ou percer des matériaux. Mais les lasers classiques chauffent la pièce à découper, ce qui limite la précision de la découpe. En particulier, les bords du trait de coupe sont souvent marqués d un bourrelet dû à la fusion du matériau (photo ci-dessous, à gauche). De plus, en chauffant le matériau, puis en le refroidissant très rapidement en un point précis, on peut faire apparaître des contraintes locales qui peuvent le fragiliser. Au contraire, un laser femtoseconde vaporise directement le matériau. La découpe est donc beaucoup plus «propre», donc plus précise : on obtient par exemple des bords de découpe plus nets, ou des trous plus profonds sans qu ils ne s élargissent lors du percement, comme le montrent les images ci-dessous. Cette découpe «propre», sans formation de bulles ni de débris, a un grand intérêt, et en particulier en chirurgie de l oeil ou du cerveau, où le laser femtoseconde est de plus en plus utilisé. Page 5 / 12

6 Figure 3.1. Résultat d un perçage avec un laser nanoseconde (à gauche) et avec un laser femtoseconde (à droite) : la découpe au laser femtoseconde est plus «propre». 2 - Mesurer des polluants L intensité des impulsions laser femtoseconde de grande puissance permet d élargir le spectre initial du laser. L impulsion laser modifie l indice de réfraction sur son passage, et en retour, sa fréquence est modifiée : on appelle ce phénomène l automodulation de phase. On génère ainsi un continuum de lumière blanche, c est-à-dire un spectre lisse et très large, comme l est celui d une lampe. (Figure 3.2) Mais le continuum est directionnel, comme l est le rayon laser qui l a généré. On peut donc s en servir pour «illuminer» une direction particulière. Il est donc bien adapté pour des mesures à distance. On peut par exemple s en servir pour des mesures de spectroscopie, dans lesquelles on caractérise une espèce chimique (par exemple, un polluant de l air atmosphérique) en observant les longueurs d ondes qu il absorbe dans le spectre du continuum. Grâce au large spectre du continuum, on peut même détecter plusieurs espèces à la fois. Figure 3.2. Spectre du continuum de lumière blanche. Les régions d absorption des principaux polluants sont indiqués au-dessus de la courbe 3 - "Photographier" les réactions chimiques La durée des impulsions ultrabrèves, inférieure à la picoseconde, correspond à l échelle de temps des processus mis Page 6 / 12

7 en jeu dans les réactions chimiques. Ces temps sont tellement courts qu on ne peut pas les observer directement : aucune caméra, aucun détecteur, n est assez rapide pour cela. Par contre, les lasers femtoseconde permettent de les observer indirectement. Pour cela, on partage l impulsion femtoseconde en deux (par exemple grâce à un miroir semi-réfléchissant), et l on retarde l une des impulsions (l impulsion de sonde) par rapport à l autre (l impulsion de pompe). Concrètement, on peut obtenir ce délai en faisant parcourir à l impulsion de sonde un chemin plus long que l impulsion de pompe. 4 - Schéma pompe-sonde L impulsion de pompe va donc arriver la première sur l objet à étudier, et y initier par exemple la rupture d une liaison chimique, c est à dire la séparation de deux parties d une molécule. L impulsion de sonde, arrivant peu après, sert à «observer» l état de l objet. Par exemple, son absorption dépendra de la séparation des fragments de la molécule. Page 5/7 - Un laser de très haute puissance : le Mégajoule Le laser Mégajoule, actuellement construit par le Commissariat à l énergie atomique (CEA) près de Bordeaux, doit être, avec le NIF américain, le laser le plus énergétique du monde. Chacun de ses flashes produira une énergie de 1,8 MJ (près de deux millions de Joule ou mégajoule, d où son nom), c est-à-dire l énergie qu aurait accumulée une masse de une tonne après une chute de 200 mètres! Avec une telle énergie, focalisée sur moins de 1 mm 2, on peut reproduire les conditions de la fusion thermonucléaire, afin de simuler les conditions de fonctionnement d une arme nucléaire, ou celles rencontrées au coeur des étoiles : ces expériences en modèle réduit permettront d affiner les modèles de simulation par ordinateur. Le laser mégajoule n est pas à proprement parler un laser à impulsions ultrabrèves, puisque ses impulsions ont une durée de 20 ns. Mais l énergie mise en jeu, et la puissance atteinte (550 TW) en font incontestablement un laser de puissance exceptionnelle. Cette puissance est atteinte en combinant sur la cible 240 faisceaux laser fournissant 7,5 kj chacun. Ces 240 faisceaux sont synchronisés avec une grande précision 50 microns, et 15 picosecondes maximum). Chaque faisceau est, comme une chaîne d amplification à dérive de fréquence, constitué d éléments successifs (Figure 4.1) : - un oscillateur, qui produit une impulsion de basse énergie (quelques nano-joules, soit quelques milliardièmes de joule) à une longueur d onde de 1053 nm - un préamplificateur à deux niveaux, qui amplifie les impulsions issues de l oscillateur jusqu à une énergie pouvant atteindre 1 J. - une section amplificatrice, dans laquelle le faisceau passe quatre fois à travers 18 plaques de verre dopé au néodyme, pour atteindre 15 à 20 kj Après leur amplification, les faisceaux traversent des cristaux non-linéaires qui triplent leur fréquence : le faisceau devient alors ultraviolet. Page 7 / 12

8 Figure 4.1. Schéma d un des 245 faisceaux composant le laser Mégajoule. Image CEA Le laser Mégajoule devrait être mis en fonctionnement en Le chantier est impressionnant : un bâtiment de m 2 abritant l une des plus grandes salles blanches d Europe (Figure 4.2). Y sont attendus 125 tonnes de verre amplificateur et 9000 m 2 de surfaces optiques! Figure 4.2. Implantation du laser Mégajoule. Image CEA Page 6/7 - Un laser ultracourt : le Téramobile Page 8 / 12

9 Le laser Téramobile est issu d un projet franco-allemand initié en 1999 par le CNRS et la DFG (Allemagne). Dès le départ, ce projet a fédéré quatre laboratories à Berlin, Jena (Allemagne), Palaiseau (LOA, Ecole Polytechnique) et Lyon (Lasim, Université Lyon 1). Ces laboratoires ont depuis été rejoints par le groupe de physique appliquée de l Université de Genève. Afin d étudier les applications des lasers ultrabrefs dans l atmosphère, l équipe du Téramobile a construit le premier laser mobile produisant des impulsions femtoseconde d une puissance de plusieurs TW : cette puissance instantanée correspond à celle de mille centrales électriques. 1 - Le laser Téramobile Le laser Téramobile est intégré dans un conteneur maritime équipé comme un laboratoire d optique, et dont les spécifications permettent des mesures de terrain quelques soient les conditions météorologiques. C est un système d amplification à dérive de fréquence, dans une configuration classique adaptée aux contraintes de place liées à la construction d un système mobile. Il fournit des impulsions à une cadence de répétition de 10 Hz. Leur puissance est de 5 TW, soit 350 mj émis dans une durée de 70 fs. Figure 5.1. Vue extérieure du laser Téramobile. Image Téramobile Page 9 / 12

10 Figure 5.2. Le laser Téramobile - Image Téramobile Le Téramobile est particulièrement dédié à l étude de la filamentation. Dans ce mode de propagation, l effet Kerr, une modification locale de l indice de réfraction de l air lié à l intensité du laser, focalise le faisceau sur luimême. L intensité attente grâce à cette auto-focalisation permet d ioniser l air. Le plasma ainsi généré contrebalance l auto-focalisation. L équilibre dynamique qui s ensuit s établit pour des distances de plusieurs dizaines à quelques centaines de mètres. Les structures ainsi créées dans le faisceau ont un diamètre de l ordre de 100 µm et sont appelées filaments. L automodulation de phase dans les filaments génère un large continuum, directement observable à l oeil nu. (Figure) Le spectre correspondant a été mesuré de 300 nm à 4,5 µm. Figure 5.3. Filament de lumière blanche dans l air. Photo C. Wedekind 2 - Le Lidar femtoseconde Grâce au continuum de lumière blanche, les lasers femtoseconde-térawatt tels que le Téramobile pourraient améliorer les mesures Lidar. Le principe du Lidar consiste à émettre des impulsions lumineuses dans l atmosphère, où elles sont atténuées et rétro-diffusées. La partie diffusée vers l arrière est détectée en fonction du temps (donc de la distance de diffusion) et permet de reconstituer une information sur la composition de l air sur le chemin du faisceau. En balayant le faisceau, on peut en plus réaliser une cartographie des polluants recherchés. Page 10 / 12

11 Figure 5.4. Principe de la télédétection par laser ou Lidar Alors que le Lidar classique, basé sur un laser monochromatique, ne peut mesurer qu un polluant à la fois, le Téramobile, grâce au continuum de lumière blanche, permet de mesurer simultanément plusieurs paramètres atmosphériques. 3 - Guider la foudre? L ionisation de l air dans les filaments le rend conducteur de l électricité. Le faisceau laser peut donc se comporter comme un «fil électrique» qu on placerait à un endroit bien choisi dans le ciel, pour jouer le rôle d un paratonnerre. Des expériences en laboratoire, avec «seulement» quelques millions de volts et des décharges de quelques mètres, ont montré que la tension de claquage est réduite d environ 30 % par le laser. Mais l effet spectaculaire est le guidage de la décharge : celle-ci suit le chemin du faisceau laser (à droite), au lieu d un tracé aléatoire des décharges naturelles (à gauche). Figure 5.5. Guidage de décharge électrique par laser. A gauche : décharge libre, à droite, décharge guidée par laser. Page 7/7 - Conclusion - Pour aller plus loin Page 11 / 12

12 Conclusion Si les diverses applications des lasers ultrabrefs et de forte puissance sont nombreuses et prometteuses, elles restent pour beaucoup encore confinées au laboratoire. Cependant, certaines d entre elles, en particulier celles qui nécessitent le moins d énergie par impulsion, telles que l usinage et la chirurgie, font leur entrée dans le monde industriel. Cette entrée est directement liée à l évolution de la technologie laser, qui aboutit à des systèmes plus fiables et plus compacts, plus simples à mettre en oeuvre. Les applications à plus grande échelle, telles que celles ouvertes par le Téramobile pour la télédétection Lidar ou le contrôle de foudre, devraient suivre le même chemin lorsque l amplification de puissance pourra elle aussi se démocratiser. Ainsi, les lasers femtoseconde complètent l éventail déjà large qu offrent les lasers et leur multitude d applications. Pour en savoir plus Chirurgie réfractive de l oeil : Laser mégajoule : www-lmj.cea.fr Téramobile : Wikipedia : Page 12 / 12

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