La lumière laser : une lumière pas comme les autres!!!

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1 La lumière laser : une lumière pas comme les autres!!! Patrick GEORGES Laboratoire Charles Fabry de l Institut d Optique École Supérieure d Optique Université Paris-Sud - ORSAY Patrick.Georges@iota.u-psud.fr - Responsable de l Équipe Lasers Solides et Applications - Docteur en Sciences Physiques (1989) - Ingénieur de l École Supérieure d Optique (1985) - Ancien élève du Lycée Fabert (Metz) ( ) Colloque Union des Professeurs de Spéciales 16 Mai 2002

2 Plan de l exposé - Historique, principe, propriétés, marché - les lasers à semiconducteurs - Les lasers pour le stockage d informations - Les lasers dans les télécommunications optiques - Les lasers pour le traitement des matériaux - Les lasers dans le médical - Évolution des lasers - les lasers de forte énergie

4 HISTORIQUE LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1887 : Heinrich Hertz découvre l effet photoélectrique 1901 : Max Planck établit la loi du rayonnement du corps noir 1905 : Albert Einstein postule la quantification de l énergie électromagnétique : le photon est né Il bloque cependant sur la compatibilité du photon avec la théorie du corps noir

5 1913 : Niels Bohr introduit la quantification des niveaux d énergie des électrons 1917 : Albert Einstein introduit le concept d émission stimulée pour expliquer le rayonnement du corps noir Absorption Émission spontanée Émission stimulée! même direction de propagation! les deux ondes associées sont en phase! même état de polarisation

6 Énergie Gain optique --> inversion de la population Énergie E 2 N 2 E 2 N 2 E 1 N 1 population Population thermique (équilibre thermique loi de Maxell Boltzman) E 1 N 1 population Inversion de population Gain = σ (N 2 -N 1 ) N 1 N = exp ( (E 2 -E 1 ) ) 2 kt (par unité de longueur) section efficace d émission stimulée Inversion de population impossible dans les systèmes à deux niveaux

7 1954 : Charles H. Townes et Jim Gordon (Columbia University) démontre le premier MASER (micro-ondes) 1958 : Alfred Kastler démontre que le pompage optique permet d obtenir l inversion de population Inversion de population Désexcitation rapide (perte d énergie) Pompage Émission d un photon Désexcitation rapide (perte d énergie)

8 LASER : oscillateur optique - fréquence d oscillation : qq 10 THz - émission stimulée pour le gain - contre-réaction 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 LASER : un filtre spectral L Une cavité laser de longueur L ne laisse passer que certaines fréquences régulièrement espacées. Pour L = 1 m, ν = 150 MHz ν = c/2l Fréquence Gain Pertes Dans une cavité laser, seuls les modes pour lesquels le gain l emporte sur les pertes sont amplifiés par le milieu amplificateur.

10 1958 : Charles Townes et Arthur Schalow (Bell Labs) publie un article qui démontre la théorie du laser à rubis 1960 : Ted Maiman (Hughes Research Labs) démontre le 1 er laser à rubis impulsionnel (Juillet 1960) (8 Juillet 1960, New York Times)

11 Laser : concentration spatiale, spectrale et temporelle Grande cohérence spatiale --> focalisation maximale sur un diamètre = λ - Forte directivité : divergence = θ = λ/πw 0 exemple : w 0 =1cm, θ = rad à λ = 633nm Le faisceau double de taille au bout de 500 m! - Luminance d un laser TEM 00 : P/ λ 2 Exemple : He:Ne 1mW à 633 nm : L = 2, W/sr/m 2 Soleil 1 kw/m 2 au sol, 30 d arc : L = 1, W/sr/m 2 Faible largeur de raie --> excitation sélective de niveaux d énergie (refroidissement laser, horloge atomique) --> grande longueur de cohérence ( ν = 10 Hz, L = kms) Production d impulsions ultracourtes : record 4,5 fs (IR) et 0,7 fs (X) --> puissance crête élevée - laser Nd:YAG 100 mj, 5 ns : Pcrête = 20 MW - laser fs amplifié à saphir dopé au titane 1 J, 20 fs : Pcrête = 50 TW

12 Les lasers : même principes de base, mais tous tellement différents. Différents types de milieux amplificateurs : - lasers à gaz - lasers solides - lasers à colorant - lasers à semiconducteurs Différentes sources de pompage : - pompage électrique - pompage optique (cohérent ou incohérent) - réaction chimique

13 Marché des applications des lasers Télécommunications : 16% 51% Diodes laser Stockage d'informations : 9% 17% Diodes laser Traitement des matériaux : 40% 21% Bio-médical : 19% 8% Recherche : 11% 2% Instrumentation, mesure : 5% 1% Marché : $ 1,25 Mds $ 8,8 Mds (en proportion par rapport au chiffre d affaire total du marché des lasers) 1995 : diodes laser --> 28 % du chiffre d affaire total 2000 : diodes laser --> 75 % du chiffre d affaire total

15 Lasers à semiconducteurs(diodes laser) Milieu amplificateur : jonction p-n pompé électriquement AlGaAs --> vers nm InGaAs --> vers nm AlGaInP --> vers nm Cavité monolithique, compacte, auto-alignée Miroirs : facettes clivées du semiconducteur Surface émettrice : 1 µm x 3 µm sur qq centaines de microns --> divergence de 10 par 30 Rendement électrique-optique : 50% Durée de vie : > heures Métal SiO 2 N P N n + N couche active dopée p _ Métal

16 Profil spatial en champ lointain Plan jonction (axe «rapide») limité par la diffraction : faisceau très divergent, profil gaussien δθ = 2 λ πd 30 Plan // jonction (axe «lent») Selon le type de guidage réalisé et la largeur de la couche active δθ // 10 Faisceau elliptique et très divergent mais limité par diffraction

18 Stockage d informations : le Compact Disc TM Rotation du disque Surface réfléchissante Lentille de focalisation Lame quart d onde Trou Lentille convergente Cube séparateur de polarisation 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)

19 Stockage d informations : 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 : - 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) TM ) 0,6 mm 0,6 mm 0,6 mm 0,6 mm Nouvelle génération de DVD : 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 définition ou 13 heures de film vidéo compressé aux normes actuelles

21 Augmentation vertigineuse du traffic --> internet

22 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

23 Avant 1995 : répéteurs 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)

24 Spectroscopie de l ion erbium dans la silice 980 nm pompe Transition rapide 1 µs 4 I 11/2 4 I 13/ nm pompe nm émission 4 I 15/2 Large bande spectrale : 40 nm!!!!

25 Principe d un 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 Coupleur 5 % Photodiode de contrôle Grande bande passante : jusqu à 40 Gbits/s étudié actuellement 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)

26 Diode laser fibrée Thermoelectric cooler Alcatel Optronics Diode continue accordable entre 1530 nm et 1560 nm pour le support de l information Diode de puissance à 0,98 µm et 1,48 µm pour le pompage des amplificateurs à fibre dopée à l erbium

27 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 a b b c c d 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)

28 B. Clesca, Alcatel

29 Plan de l exposé - Historique, principe, propriétés, marché - les lasers à semiconducteurs - Les lasers pour le stockage d informations - Les lasers dans les télécommunications optiques - Les lasers pour le traitement des matériaux - Les lasers dans le médical - Évolution des lasers (65 % du marché des lasers en dehors des diodes laser) - les lasers de forte énergie

30 Effets thermiques sur les matériaux Absorption par les matériaux T T fusion <T <T vaporisation : Soudage T >T vaporisation : Perçage, découpage, gravure Fraction absorbée Nd:YAG (1,06 µm) CO 2 (10,6 µm) Longueur d onde (µm)

31 Découpe par laser CO 2 Acier d épaisseur 0,23 mm : Laser CO 2 2,5 kw Découpe à la vitesse de 150m/minute Avantages des lasers CO 2 : - forte puissance - fort rendement électrique-optique 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 très mauvais rendement élec-opt)

32 Décapage Colle Peinture Rouille Avant Après Décapage de moule de pneu - laser Nd:YAG à 1064 nm impulsionnel(10 ns) haute énergie (500 mj) à 10 Hz

33 Décapage d objets d art Thales Laser Laser Nd:YAG Impulsionnel 500 mj, 10 ns, 10 Hz

34 Photo-ablation Eclairage d un polymère par laser UV (excimère) Absorption Rupture des liaisons chimiques Processus athermique Buse d imprimante à jet d encre Cathéter Dénudage de câbles 50 µm 30 µm Polyimide Fil d or

35 Stéréo-lithographie pour le prototypage rapide Miroirs de balayage Principe : polymérisation d une résine sous UV Laser UV Nacelle mobile Bain de résine photosensible Exemples de réalisations

36 Usinage athermique Impulsions ultrabrèves (fs) -> champ électrique très élevé -> arrachement des électrons des couches externes -> création d ions positifs qui se repoussent -> éjection de matière sans échauffement Impulsions nanosecondes Impulsions femtosecondes

37 Perçage Trous dans un acier inoxydable d' épaisseur 200 µm 10 ns 10 ps 150 fs 30 µm Réalisation d endoprothèses coronaires de tantale lisses servant à traiter des maladies cardiovasculaires

38 Plan de l exposé - Historique, principe, propriétés, marché - les lasers à semiconducteurs - Les lasers pour le stockage d informations - Les lasers dans les télécommunications optiques - Les lasers pour le traitement des matériaux - Les lasers dans le médical - Évolution des lasers 25 % du marché des lasers (hors diodes laser) - les lasers de forte énergie

39 Effets thermiques sur les tissus Absorption par les tissus T 55 C<T <80 C : Dessication Dénaturation des protéines Perte de l eau du liquide intersticiel Action hémostatique T >100 C : Vaporisation, pyrolyse, carbonisation Bistouri laser

40 Absorption par différents composants des tissus Coefficient d absorption (cm -1 ) H 2 O HbO 2 H 2 O Mélanine Longueur d onde (nm) Lasers Nd:YAG, Argon ionisé Lasers Er:YAG (2,9 µm), CO 2 Action hémostatique Bistouri Lasers associés à des endoscopes à fibre optique

41 Épilation laser Principe 1 impulsion /2s J/cm 2, diamètre du faisceau : 7-10 mm Laser à rubis (Cr 3+ :Al 2 O 3 ) 694,3 nm Laser alexandrite ( nm) - Absorption par la mélanine (pigment du poil) - Guidage par la cavité du poil Lentille en saphir (Al 2 O 3 ) - Focalisation du faisceau - Évacuation de la chaleur

42 Exemple d épilation laser Avant Après

43 Effacement de tatouages Longueur d onde laser correspondant aux Bandes d absorption des chromophores Cr 3+ :BeAl 2 O 4 Laser Nd:YAG déclenché Laser Nd:YAG déclenché

44 Laser pour la chirurgie esthétique Laser CO 2

45 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

46 Lasers femtosecondes : alternative au lasers à excimère pour le LASIK Découpe du flap et correction par laser femtoseconde

47 Évolution des lasers - meilleur rendement électrique - optique - compacité, fiabilité --> lasers solides pompés par des diodes lasers

48 Diodes laser de puissance L épaisseur de la jonction est de 1 µm (constante) --> pour augmenter la puissance il faut augmenter la largeur de la section émettrice de 3 µm à 100 µm puis mettre en parallèle plusieurs émetteurs avec des zones de refroidissement qq 100 µm Divergence : 1 cm Métal SiO 2 N P N n _ + N Métal 20 à 40 mono-émetteurs sur 1 cm de long, facteur de remplissage : 50 % couche active dopée p Barettes de diode laser Puissance de 40 à 60 W continue à 808 nm (AlGaAs) ou entre 940 et 980 nm (InGaAs) 1 µm 40 (direction perpendiculaire à la jonction, 1 µm) 10 (direction parallèle à la jonction, 1 cm) Rendement de 50 % Système compact Taille, poids # Faisceau très dissymétrique Pas de cohérence entre les mono-émetteurs Faible luminance Seulement à 808 nm et 980 nm

49 Spectra Physics Diode laser fibrée

50 LASERS SOLIDES POMPÉS PAR DIODES Diodes de pompage multimodes spatiales Milieu à gain Faisceau laser monomode transverse Laser : - un convertisseur de mode spatial pompe multimode transverse --> émission monomode - un système accumulateur d énergie longue durée de vie de l état excité (0,1 à 10 ms) --> production d impulsions (ns) très énergétiques Utilisation de cristaux dopés avec des ions néodyme (Nd 3+ ) - absorption vers 808 nm - émission vers 1064 nm - long temps de fluorescence (100 à 500 µs)

51 LASER SOLIDE VISIBLE POMPÉ PAR DIODE Miroir 1064 nm 532 nm Cristal non linéaire Doubleur de fréquence 1064 nm 532 nm 5 à 10 W 532 nm Barette de diode laser fibrée nm Barette de diode laser fibrée nm Milieu amplificateur dopé à l ion néodyme 3+ SPECTRA PHYSICS

52 PRODUIT COMMERCIAL Puissance de 5 W 532 nm pompés par diode, refroidissement par air Rendement > qq % --> remplacement des lasers à Argon (rendement de l ordre de 10-4 )

54 Laser chimique pour destruction de missiles Chemical Oxygen Iodine 1,3 µm Désignation de la cible par laser Tir par laser chimique

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

56 Laser Mégajoule (LMJ, Bordeaux, France) National Ignition Facility (NIF, USA) Objectifs : - Simulation des armes nucléaires - Étude de la fusion par confinement inertiel (combustion du Deuterium-Tritium avec un gain de 10) - Énergie : 1,8 MJ - Durée effective : 3-5 ns - Longueur d onde : domaine de l ultra-violet (UV) - Uniformité : de l ordre de 1% sur le µ-ballon Solution retenue : - laser solide (Verre dopé Nd 3+, à 1,053 µm) pompé par lampes et conversion de fréquence (3 ω) faisceaux de 40 cm par 40 cm - Volume de verre dopé Néodyme : 27 m 3 - Surface des faisceaux : 37,5 m 2

57 ARCHITECTURE Source Chaîne de puissance Convertisseur de fréquence Focalisation Génération Amplification Transfert vers l UV Interaction Amplificateur Amplificateur Amplificateur Filtrage spatial Filtrage spatial Augmentation progressive de la taille du faisceau avec l énergie Exemple : laser NOVA (Livermore, USA) ou PHÉBUS (Limeil, France) le diamètre évolue de 2,5 cm à 46 cm de diamètre NOVA : 10 faisceaux de 10 KJ chacun à 1,053 µm PHÉBUS : 2 faisceaux de 10 KJ à 1,053 µm (2 chaînes de NOVA)

58 Filtrage spatial Amplificateur à disques Isolateur: Rotateur de Faraday LASER NOVA DU LLNL (1984, Lawrence Livermore National Laboratory) 36 kj (UV) en 10 faisceaux

59 Sphère d interaction de NOVA (10 faisceaux)

60 Dimensions : 200 m de long sur 85 m de large

61 Focalisation des faisceaux du NIF dans la sphère

62 ATTENTION LES LASERS NOUS ENVAHISSENT, ILS SONT PARTOUT!!!!! Remerciements : François Balembois (École Supérieure d Optique)