LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS. Le LASER. Une solution sans problème? Sébastien Forget, Maitre de Conférences

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1 LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le LASER Une solution sans problème? Sébastien Forget, Maitre de Conférences

2 LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le LASER Une solution sans problème? Nous avons l habitude d avoir un problème et de chercher une solution. Dans le cas du laser, nous avons déjà la solution et nous cherchons le problème (P.Aigrain, 1960) Sébastien Forget, Maitre de Conférences

3 Les lasers sont partout!

4 Plan de la présentation Principe du laser Les grands types de lasers Quelques mots d histoire Applications des lasers

5 introduction Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Concentré de Physique Fondamentale (Mécanique Quantique) et de Physique Appliquée (Ingenierie) 3 éléments de base Un milieu Amplificateur Une source externe d énergie : le pompage Une cavité résonante

6 Mécanismes physiques en jeu ABSORPTION Mécanismes classiques EMISSION SPONTANEE

7 L EMISSION SPONTANEE de la lumière dans la vie de tous les jours Toutes les sources lumineuses (à part le laser!)

8 L Emission stimulée Emission stimulée Amplification Conditions : Même direction de propagation 2 ondes en phase Même état de polarisation Energie photon incident (hν) = énergie niveau haut énergie niveau bas N atomes excités > N atomes dans le niveau fondamental Inversion de population indispensable

9 L inversion de population Etat stable : populations régies par la statistique de Boltzmann Energie Niveau excité n N i =A.e -Ei/kT Niveau excité 1 Niveau fondamental Population Il faut FORCER l inversion de Population en POMPANT le milieu

10 L inversion de population Energie Niveau excité n N 2 Niveau excité 1 Niveau fondamental N 1 Population

11 Le Pompage Le pompage peut être optique (absorption de photons) ou électrique (états excités créés suite à des collisions dans une décharge électrique par ex) Excitation extérieure apporte l énergie nécessaire au transfert d une majorité d atomes dans l état excité POMPAGE Emission STIMULEE possible Le milieu est alors AMPLIFICATEUR

12 La cavité R=100% Milieu Amplificateur G=2 G R=25% M 1 M 2

13 Principe Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 -

14 LASER vs. LAMPE

15 Propriétés de la lumière laser Monochromaticité Elle est le plus souvent monochromatique : c est une onde de fréquence bien définie.

16 Propriétés de la lumière laser Concentrée dans l espace Faisceau directif, lumière très «intense» (énergie/unité de surface) Elle peut ainsi former un faisceau très peu divergent, que l on peut focaliser avec une lentille sur une tache de rayon environ égal à la longueur d onde

17 Propriétés de la lumière laser «Cohérence temporelle» Les ondes émises par le laser sont «en phases» : on peut réaliser des interférences Concentration dans le temps Elle peut être émise en continu ou par impulsions ultracourtes : puissance élevée. Lasers impulsionnels courants : impulsions nanosecondes, voire femtosecondes s

18 Milieux amplificateurs gazeux Le laser Hélium Néon (He-Ne) La transition la plus connue est à 633 nm Très utilisée pour l alignement (faible puissance) Le laser Argon

19 Milieux amplificateurs gazeux Le laser CO2 Moyen IR (9.6 et 10.6 µm) Très grandes puissances possibles (100 kw CW) Marché industriel énorme : découpe/soudure des matériaux

20 Milieux amplificateurs solides Les lasers à matrice cristalline Milieu amplificateur = cristal (ou verre) dopé avec des ions aux propriétés laser (avec un schéma à 3 ou 4 niveaux) - principaux ions laser utilisés : Néodyme (Nd 3+ ), titane Ti 3+, ytterbium - matrices hôtes sont variées : YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) et variantes, Verres, Saphir

21 Milieux amplificateurs solides Les lasers à semi-conducteurs Tension appliquée, création d un courant d électrons et de trous émission de lumière Bande de conduction recombinaison des électrons et des trous E f, C -Faible coût électrons -Compacts E f, V trous Bande de valence Photons

22 Milieux amplificateurs solides Les fibres amplificatrices dopées à l Erbium Amplification laser aux longueurs d ondes Télécom (autour de 1.5 µm). Grandes longueurs d interaction

23 LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le LASER : Quelques mots d histoire à l occasion de son jubilé

24 Qui? Quand? Comment? Théorie 1: Albert Einstein (1917) Théorie 2 : Charles Townes (1958) Pratique : Théodore Maiman (1960) Cavité résonnante 1898 Cavité Fabry Perot Source d énergie Milieu amplificateur Emission Stimulée 1917 Pompage Optique 1949 Synthèse Réalisation 1960 Maiman Einstein A. Kastler Schawlow Townes Basov Prokhorov

25 Le premier laser à rubis Pratique : Théodore Maiman (1960)

26 LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le LASER : Pour quoi faire?

27 Le LASER pour quoi faire?

28 Ce qui ne marche pas

29 Le LASER pour quoi faire?

30 Quelques applications essentielles Le laser pour communiquer Couplé à la fibre optique

31 Quelques applications essentielles Le laser pour stocker des informations

32 Le LASER pour quoi faire?

33 Quelques applications essentielles Le laser pour mesurer 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.

34 Quelques applications essentielles Le laser pour mesurer : le LIDAR

35 Le LASER pour quoi faire?

36 Quelques applications essentielles Le laser pour soigner Ophtalmologie LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue). Utilisation d un Laser Excimère (UV) + laser fs

37 Quelques applications essentielles Le laser pour soigner Chirurgie esthétique Tatouages Epilation AVANT APRES

38 Quelques applications essentielles Le laser pour nettoyer

39 Le LASER pour quoi faire?

40 Quelques applications essentielles Le laser pour découper

41 Quelques applications essentielles

42 Le LASER pour quoi faire?

43 Conclusion Le laser, 50 ans après son invention, a donné naissance à un nombre incalculable d applications C est un enfant de la recherche fondamentale Que nous promet le futur? Des lasers Ultra-puissants (Mégajoule, pour simuler les étoiles!) Le rêve : la fusion inertielle pour produire de l énergie!

44 Conclusion Le laser, 50 ans après son invention, a donné naissance à un nombre incalculable d applications C est un enfant de la recherche fondamentale Que nous promet le futur? Des lasers Ultra-puissants (Mégajoule, pour simuler les étoiles!) Des lasers ultra-courts Milli micro nano pico femto atto zepto yocto

45 Quelques applications MOINS essentielles Le laser pour énerver les chats

46 Pour en savoir plus onglet «vulgarisation»

47 Forte Puissance Les programmes NIF (National Ignition Facility)/Mégajoule Objectifs : Simulation des armes nucléaires Etudes des processus de fusion par confinement inertiel (deuterium/tritium) similaires à ceux qui se produisent dans le Soleil Chauffage à plusieurs millions de degrés nécessaire pour que deux noyaux positifs puissent fusionner malgré leur répulsion électrostatique

48 Forte Puissance Processus : Approche indirecte Energie nécessaire estimée ~2 MJ pendant 5 ns Nécessite des lasers de puissances énormes!

49 Forte Puissance Laser megajoule (en construction à Bordeaux) / National Ignition Facility (en construction au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie) Objectifs Solution Energie : 1.8 MJ Durée effective : 3-5 ns Longueur d onde : Ultra-Violet Uniformité : mieux que 1 % sur la cible Laser solide (verre dopé Nd, 1053 nm, pompé par lampes) Conversion de fréquence (192) faisceaux de 40 x 40 cm² au LMJ (NIF, resp.)

50 Principe Une des lignes du NIF : Principe : le faisceau est amplifié par étapes successives avec augmentation de sa taille (jusqu à 40x40 cm) pour éviter les problèmes de tenue au flux lumineux des lentilles et des cristaux 192 lignes comme celle-ci focalisées sur ~1mm² (précision 50 µm) dans la même cible pour arriver aux 1,8 MJ (500 TW) requis! (240 pour le laser MegaJoule)

51 Tout est démesure Milieu amplificateur (verre dopé néodyme) Flashs pour le pompage des verres dopés Cristaux nonlinéaires Chambre d expérience Cellule de Pockels

52 Forte Puissance Les amplis et le transport des faisceaux :

53 Forte Puissance La chambre d expérience Projet Megajoule

54 Le LASER pour quoi faire?

55 Et le militaire?

56 Le LASER pour quoi faire?