Organisation des appareils et des systèmes: Le domaine de l optique : LASER

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1 Université Bordeaux Segalen Organisation des appareils et des systèmes: Bases physiques des méthodes d exploration UE 3A Le domaine de l optique : LASER Dr JC DELAUNAY PACES- année 2011/2012

2 LASER Acronyme de «light amplification by stimulated emission of radiation» «amplification de la lumière par émission stimulée de radiation» Un laser est fondamentalement un amplificateur de lumière. Le terme laser est ambivalent puisqu'on l'emploie à la fois pour décrire le dispositif, la source qui permet de créer et d'émettre cette lumière particulière et pour nommer le rayon lumineux lui-même. EINSTEIN 1917 (principe)

3 Colloque bordeaux-jullien Cavité Miroir v atomes molécules ions Miroir semi-réfléchissant Photons Source excitatrice

4 Interaction matière rayonnement atome hu e - Etat stable E 0 Energie extérieure Etat excité Absorption d Energie e - niveau E 1 Atome excité repasse spontanément à son état fondamental: Emission spontanée photon (nanoseconde) DE = E 1 - E 0 = hu Fluorescence (l)

5 hu Photon émis Rencontre une particule excitée Désexcitation et formation 2 ième photon Nouveau photon est en tout point similaire à celui qui a permis à la particule de se désexciter : il transporte la même quantité d'énergie, à la même fréquence et possède la même direction de propagation. Conséquence: Le nombre de photons croît intensité du faisceau lumineux

6 E 2 hu (n 2 ) système en équilibre n 1 > n 2 niveaux plus bas toujours plus peuplés E 1 (n 1 ) Photons probablement absorbés Pour que le faisceau s enrichisse en photons n 2 > n 1 E 2 hu E 1 (n 2 ) hu hu (n 1 ) Inversion de population ( hors équilibre thermique) Emission stimulée (émission induite)

7 Amplification Milieu actif Apport d énergie Photon incident sur atome excité Émission stimulée Emission grand nombre de photons (Réactions en chaîne) Photons émis ont des propriétés identiques à ceux de l onde de départ Amplification en cascade du nombre de photons Effet laser L'inversion de population contribue ainsi à l'amplification de la lumière dans le laser. Source lumineuse

8 processus insuffisant pour produire à lui seul un faisceau laser. milieu actif placé entre deux miroirs. Miroir réfléchissant à 100% Cavité résonante Résonateur optique Miroir semi-réfléchissant à 99% Sortie de la lumière Les photons peuvent traverser plusieurs fois le milieu actif(allers-retours) Emission stimulée d un plus grand nombre de photons processus d'amplification laser oscille.

9 Dans la cavité optique, un très grand nombre d ondes réfléchies se superposent (ne pas oublier ondes lumineuses sinusoïdales). Additions de signaux si ondes ne sont pas en phase Interférences destructives Df

10 Il faut que les ondes réfléchies soient en phase Interférences constructives Intensité maximale Condition remplie pour L = n l n entier positif L distance entre les 2 miroirs Le résonateur est généralement construit de manière à favoriser l'une des longueurs d'onde produites dans le milieu actif au détriment des autres.

11 Forme des miroirs But des miroirs faisceau optique traverse le milieu actif un grand nombre de fois. Miroirs plans Pertes latérales de la lumière Miroirs sphériques Pertes latérales minimisées

12 construction optimale de la cavité de résonance grand nombre de photons ou ondes se propageant en phase, à la même longueur d'onde (monochromatique) et dans la même direction. La somme de ces émissions stimulées produit une lumière dite cohérente, de très forte énergie (puissance) et de faible divergence (faisceau parallèle).

13 Pompage optique (KASTLER 1950) Inversion de population Passage état excité plus rapide que la désexcitation. stockage des atomes dans un état excité pompage atomes molécules ions cavité Source excitatrice Source va donner l énergie nécessaire pour l inversion de population

14 1 ) Pompage optique : Apport d énergie lumineuse au milieu : les photons émis par la source lumineuse sont absorbés par le milieu: Lampe à décharge remplie de gaz ou de vapeur métallique). Lampe flash ( lumière intense pulsée) possède un large spectre de 400 à nm. Diode laser (sélective en l). 2 ) Pompage électrique décharge électrique

15 LASER à 4 niveaux Energie E 3 E 2 Transition non radiative (très rapide) stockage absorption Émission stimulée Émission spontanée (peu probable) E 1 E 0 Transition très rapide

16 Fonctionnement du laser mode continu (leur puissance est constante) source d'énergie excite en continu mode impulsionnel (émission pendant une durée brève, puis arrêt et à nouveau émission). (source d'énergie envoie par intermittence une décharge d'énergie) a) relaxé (émission de quelques ms à ms) b) déclenché (Q-switched, quelques nanosecondes) c) bloqué (quelques picosecondes ou femtosecondes)

17 TYPES DE LASER Laser à milieux solides ( cristaux ou des verres) Matrice (cristal ou verre) dopée par un ion qui est le milieu actif. λ émission dépend de l ion dopant et de la matrice Milieu amplificateur: laser à rubis (Al 2 O 3 ) Cr 3+ λ= 694nm, rouge Dopé au terres rares : Nd, Yb, Er, barreau matrice YAG : Y 3 AL 5 O 12 ( pierre précieuse) grenat d'aluminium et d'yttrium λ= 1064nm verre dopage Nd λ= 1053nm

18 fibre matrice silice dopage Yb Source d excitation pour les types de LASER à milieux solides : Lampe flash ou diode laser Fonctionnement: continu ou de manière impulsionnelle (impulsions 10-6 s à s) visible, proche IR, UV. Puissances de l'ordre du kw en continu et du GW en pulsé.

19 Applications tant scientifiques qu'industrielles: soudage, le marquage et la découpe de matériaux (Laser Nd-YAG). Très hautes énergies de l'ordre du mégajoule: systèmes destinés à la fusion nucléaire (Laser Nd-Verre) Refroidissement d'atomes Laser (Yb-YAG) Dermatologie Odontologie (Laser Nd-YAP ) Détatouage (Laser Nd-YAG).

20 Lasers à milieu gazeux Gaz pur ou en mélange Excitation: décharge électrique voire optique Milieu actif: Cathode He-Ne Miroir à 99% 1 ) Atomes: laser hélium-néon (He-Ne) Anode Miroir à 100% He excité excitation atomes néon par collision. petite puissance (de 1 à 100mW) Holographie et anciennement lecture des codes-barres rouge à 632,8 nm 2 ) Ions: Ar puissance de l ordre de 10 W Bleu-vert à 488 et 514 nm

21 Milieu actif: Moléculaire CO 2 CO 2 IR entre 9,4 et 10,6 µm Milieu actif: CO 2 environ 10 à 20%; N 2 environ 10 à 20%, H 2 et/ou Xe quelques pour cents; He le reste Puissance (mw à centaines de kw) section de tissus organiques très fortes puissances (fonctionnement en impulsion) 10 6 W. gravure ou découpe de matériaux. Refroidissement nécessaire (Voire 10 9 W en mode déclenché)

22 Lasers à milieu gazeux Excimère Milieu actif halogène + gaz rare: XeCl, ArF. Emission dans l UV (190 à 350 nm) Petites impulsions qui permettent de faire l'ablation des surfaces de tissus ou des incisions. Applications: Chirurgie ophtalmologique (myopie) et dans la fabrication des semi conducteurs. Lasers à colorants: Molécules organiques émettant en général dans le visible. Pompage optique

23 Lasers à semi-conducteurs Pompage: courant électrique (enrichit le milieu générateur en trous et en e - ). jonction Semi-conducteurs sont dopés. Exemple de matériau semi-conducteur: Type n Type p Arséniure de gallium dopé avec Excès d e - - l aluminium (GaAsAl) DEL Domaine émission: IR et Rouge + La lumière est produite au niveau de la jonction par la recombinaison des trous et des électrons. Peu puissants : entre 1 et 100 mw.

24 Concours janvier 2011 Question 3 Cocher la (ou les) proposition (s) vraie (s) A Les lasers à solide fonctionnent uniquement en mode impulsionnel. B Dans les lasers à semi-conducteurs le pompage est d origine électrique. C Le laser à CO 2 en mode continu émet dans le visible et l UV. D - Le phénomène d inversion de population est nécessaire pour que le processus d'émission stimulée permette de déclencher l'effet laser. E - Aucune des propositions ci-dessus.

25 Références de quelques Livres se trouvant à la bibliothèque de Bordeaux2 (cours-propriétés colligatives; cours-électrophysiologie; cours-optique) ATKINS P.; PAULA J. Chimie_Physique Ed. De Boeck et Dunod AURENGO A., PETITCLERC T., GREMY F. Biophysique Ed. Flammarion BORDENAVE L. et al Biophysique Ed. Omniscience

26 FIN