La lumière des lasers

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1 La lumière des lasers 19 janvier 2011 Marie-Christine Artru Découverte du laser, il y a 50 ans Principe du rayonnement laser Techniques et performances Applications scientifiques, industrielles, médicales Des lasers dans la vie quotidienne et quelques expériences Université Populaire de Lyon Thème «Illusions Réalités Création»

2 Une incroyable illusion de réalité On ne peut pas connaître illusion la de position réalitéd un photon avant de l observer, car elle n existe pas. détection en E aucune en F Les dossiers de la recherche, La lumière quantique No38, février 2010, page 18

3 les 50 ans du laser Anniversaire en en 1960, en Californie, Theodore Maiman (32 ans, en Californie) est le premier à réaliser un laser : le laser à rubis de 3 cm de long depuis 1964, dix prix Nobel furent attribués dans le domaine des lasers et de leurs applications

4 Des prix Nobel dans le domaine des lasers et des applications 1964 Charles H. Townes (USA), Alexsandr M. Prokhorov et Nicolay G. Basov (URSS) travail théorique, avant le premier laser construit par Théodore Maiman Alfred Kastler (France) découverte et le développement du pompage optique 1981 Nicolaas Bloembergen (Pays-Bas,USA), Arthur L. Schawlow (USA) spectroscopie laser et optique non-linéaire 1989 Norman F. Ramsey (USA) maser à hydrogène et principe d horloges atomiques Steven Chu(USA), Claude Cohen-Tannoudji (France) et William D. Phillips(USA) refroidissement d atomes à l aide de lumière laser Zhores I. Alferov (Biélorussie) et Herbert Kroemer (All) et Jack S. Kilby (All, USA) lasers à semiconducteurs 2009 Charles K. Kao (Chine) fibres optiques, capteur CCD

5 principe du L.A.S.E.R. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation amplification rétroaction analogues : les oscillateurs accordables en électronique l effet Larsen en acoustique

6 émission stimulée 1 atome excité 2 processus inverse l absorption 1 2 atome au repos

7 inversion de population pompage

8 spontané ou stimulé? émission de photons : deux processus en compétition A 21 spontané B 21 stimulé coefficients d EINSTEIN 2 1 énergie A 21 ou B 21 spontané stimulé - usuellement, l émission spontanée est prépondérante, - dans un laser, l émission stimulée l emporte

9 du MASER. au LASER Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Charles Townes travaillant sur les radars, exploite le résultat d Einstein (1917) pour fabriquer le premier MASER en 1954 (maser à ammoniac NH 3, λ ~1cm) Avec son beau-frère Arthur Shawlow, il publie en 1958 un article théorique sur la possibilité d obtenir le même effet en optique (λ <1µm). Mais c est plus difficile à réaliser, car B 21 /A 21 ~ λ 3 et la probabilité d émission stimulée est fois plus petite. De 1958 à 1960 de nombreux chercheurs tentent l expérience, jusqu au succès de Theodore Maiman.

10 cavité résonante «rétroaction» à l intérieur d une cavité Fabry-Perot (1898) sélectivité λ k = 2L/k L miroir 100% miroir 99% pompage

11 le premier laser

12 laser He-Ne énergie d excitation He 90% Ne 20 ev émission laser λ=632,8 nm 0

13 autres lasers

14 Nombreuses applications Métrologie, télémétrie et vélocimétrie Lidar, détection des pollutions Soudure et usinage Lecteurs CD-DVD Médecine et biologie Fusion thermonucléaire Atomes ultra-froids et horloges atomiques Le laser femtoseconde en chimie Les pages suivantes sont tirées de la présentation de Lucile Julien (ENS Paris)

15 laser en microscopie

16 industrie

17 industrie suite

18 bâtiment

19 code-barre et CD

20 télécom

21 manipulation des atomes

22 Atomes froids

23 télémétrie : principe

24 Le laser terre-lune mesurer la distance terre lune ( km) au cm près motivations? géodésie, satellites, météo Télescope de 1,54 m de diamètre laser YAG-Nd, λ=1064 nm IR 5 réflecteurs sur la lune (coins de cube) 10 tirs d impulsions (0,3 ns) par seconde détection du retour d un photon sur Plateau de Calern, Observatoire de la Côte d Azur

25 Traces des satellites enregistrement par laser des passages de satellites sur la voute céleste par la station MeO de l observatoire de Côte d Azur Rapport 2009 du Groupe de Recherche en Géodésie Spatial