Les LASERS et leurs applications - IV

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1 Les LASERS et leurs applications - IV Sébastien FORGET Maître de conférences Laboratoire de Physique des Lasers 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 Quatrième partie Lasers à impulsions courtes Fonctionnement : le Q Principe Principe physique Réalisation pratique : déclenchement actif et passif Applications medicales Traitement des materiaux Fortes puissances : vers la fusion

4 Principe: Mode déclenché : Augmentation artificielle des pertes durant le pompage : L inversion de population et donc le gain sont maximisés. Le milieu amplificateur agit comme un réservoir d énergie. Lorsque le gain APPROCHE les pertes, on ramène la cavité dans son état «normal» (pertes faibles). L oscillation s établit rapidement et on a une impulsion brève et intense. Le processus est répété pour générer l impulsion suivante.

5 Évolution d un laser à mode déclenché Pertes Niveau haut Niveau bas Temps t On s arrange pour obtenir des pertes élevées dans la cavité.

6 Évolution d un laser à mode déclenché Pertes Niveau haut Gain Niveau bas Temps t On pompe le milieu amplificateur jusqu à ce que le gain approche les pertes.

7 Évolution d un laser à mode déclenché Pertes Niveau haut Gain Niveau bas Temps t On abaisse les pertes de façon quasi instantanée. L inversion de population est alors massive : le niveau supérieur, en se «vidant» brusquement, provoque la création d une impulsion géante.

8 Évolution d un laser à mode déclenché Pertes Impulsion laser Gain Temps t Le gain diminue brutalement et retourne rapidement à un niveau inférieur aux pertes : c est la fin de l impulsion

9 Conditions nécessaires au (1) Le temps de vie du niveau supérieur doit être plus grand que le temps de l établissement de l oscillation dans la cavité. τ 2 >t s (2) La durée du pompage doit être plus grande ou égale au temps de vie du niveau supérieur. T p τ 2 (3) Les pertes dans la cavité doivent être suffisamment grandes pour ne pas avoir d oscillations durant le pompage. (4) Les pertes doivent redescendre à leur état «normal» de façon quasi instantanée pour ne pas perdre d énergie emmagasinée.

10 Le déclenchement Passif Utilisation d absorbants saturables : Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement I T.I T 1 Exemple : SESAM (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) I

11 Le déclenchement Passif Utilisation d absorbants saturables : Materiaux non-linéaires opaques sous faible éclairement et transparents sous fort éclairement T I Donc : Pas d impulsion materiau opaque pertes élevées Début d impulsion materiau transparent pertes diminuent impulsion plus forte pertes diminuent encore Le déclenchement se fait automatiquement,, sans intervention exterieure autre que le pompage : Simple, économique Problème de contrôle des impulsions (jitter)

12 Le déclenchement actif V Cellule Pockels Milieu amplificateur Cellule de Pockels : cristal électro-optique qui joue le rôle d une «porte de polarisation». C est une porte commandée par une haute tension. Porte fermée = pertes infinies ; porte ouverte = pertes faibles (normales) On choisit ainis le moment de création de l impulsion en basculant la tension V Données typiques des lasers déclenchés ( ed lasers ) : - Durée de l impulsion : ~ 1 à 100 ns - Cadence : de quelques Hz à 100 khz

13 Ophtalmologie Applications médicales des lasers déclenchés LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue). Utilisation d un Laser Excimère impulsionnel (UV)

14 Applications médicales des lasers déclenchés Resurfaçage de la cornée assisté par ordinateur (précision 0.25 µm)

15 Applications médicales des lasers déclenchés Effacement des tatouages Laser adapté au pigment que l on veut retirer Lasers Impulsionnels (ed) Chromophore Alexandrite (755 nm) Nd:YAG (1064 nm) Nd:YAG (532 nm) Bleu/Noir Vert Rouge Orange AVANT APRES

16 Applications médicales des lasers déclenchés Epilation Laser (quasi-définitive)

17 Traitement des matériaux

18 Traitement des matériaux

19 Traitement des matériaux Objet obtenu par un phénomène de cavitation (vaporisation très locale du verre au foyer du laser)

20 Forte Puissance Les programmes NIF (National (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

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

22 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 : 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 3ω 240 (192) faisceaux de 40 x 40 cm² au LMJ (NIF, resp.)

23 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)

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

25 Forte Puissance Les amplis et le transport des faisceaux :

26 Forte Puissance La chambre d expérience Projet Megajoule

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