Les LASERS et leurs applications - V 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.
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 )
Cinquième partie Lasers à impulsion ultracourtes ultracourtes Le verrouillage de modes ( mode-lock ) Principe physique Réalisation pratique : exemple du Ti:Sa Les impulsions femtosecondes (fs) Applications Traitement des matériaux Médecine Vers la physique de l extrême.
Le verrouillage de modes mode locking technique du Q-switch : la durée des impulsions est au minimum égale au temps mis par les photons pour faire un aller-retour dans la cavité : durée minimale ~ ns Pour des durées plus courtes (par ex 100 fs), la durée de l impulsion n est plus infiniment grande devant la période lumineuse Ex : à λ = 800 nm, T= λ/c = 2,6 fs : une impulsion de 100 fs contient donc seulement 40 périodes le spectre d une impulsion courte n est donc pas monochromatique (transformation de Fourier)
Modes longitudinaux http://nano.jyu.fi/summerschool06/lectures/baumert2.ppt Gain Boundary Condition: Allowed Modes: Mode Distance: = const.
Le verrouillage de modes
Le verrouillage de modes
Additionnons N sinusoides de fréquences δν Addition de modes en phase ν ν + δν, ν + 2δν, K, ν + ( N 1) δν 0, 0 0 0 Intensity Champ électrique total : Supposons les modes en phase et de même amplitude : ν 0 ν n Frequence Fréquence centrale (pour le montrer : passer par les exponentielles complexes : c est une simple suite géométrique)
Addition de 1,2,4,6 modes en phase battements Puissance crête : Durée des impulsions : Nombre de modes Écart entre deux modes
Le verrouillage de modes
Verrouillage de modes Résumé : ν C/2L fréquence Pour faire des impulsions courtes il faut : - Beaucoup de modes (N grand) : matériau laser avec une large bande d amplification (Titane-saphir, colorant, erbium ) - la durée des impulsions ne dépend que de la largeur de la courbe de gain si tous les modes sont en phase : t = 1/ ν - ex : t (Nd:YAG) 10 ps ; t (Ti:Sa) 10 fs - la cadence ne dépend que de la longueur de la cavité f = c/2l
Comment faire? Principe : favoriser le fonctionnement impulsionnel par rapport au fonctionnement continu Il faut donc que pertes (continu) > pertes (pulsé) Exemple : Utilisation de l effet Kerr n = n 0 +n 2.I Indice plus fort si I plus fort Effet de lentille dû au profil gaussien du faisceau laser Regime continu (faible Intensité, n = constant) Fortes pertes! diaphragme
Comment faire? Principe : favoriser le fonctionnement impulsionnel par rapport au fonctionnement continu Il faut donc que pertes (continu) > pertes (pulsé) Exemple : Utilisation de l effet Kerr n = n 0 +n 2.I Indice plus fort si I plus fort Effet de lentille dû au profil gaussien du faisceau laser Regime Pulsé, I très grand Pertes Faibles! diaphragme
Exemple : le laser Titane-saphir Argon Nd:YAG 2ω λ ~ 400 nm! ( t theo ~5 fs) Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il n existe pas de diodes laser vertes de puissance) Laser pompé en continu (quelques W) avec un laser vert (argon à 488 nm ou Nd:YAG suivi d un cristal doubleur pour générer un faisceau à 532 nm) Typiquement : ~1W à 100MHz durée 100 fs soit 100 kw de puissance crête (10 nj/impulsion) Ti 3+ : Al 2 O 3
Impulsions femtosecondes Interêts : Etude de phénomènes ultrarapides (ex: dynamique des protéïnes Physique des hautes intensités (P crête =E/durée) Génération de nouvelles fréquences (effets non linéaires importants) Projet Teramobile Génération de Continuum
Traitement des matériaux Usinage Athermique Impulsions fs (ultra brèves) Champ éléctrique très élevé Arrachement des électrons des couches externes Création d ions positifs qui se repoussent Ejection de matière sans échauffement
Traitement des matériaux Usinage Athermique Impulsions fs (ultra brèves) Champ éléctrique très élevé Arrachement des électrons des couches externes Création d ions positifs qui se repoussent Ejection de matière sans échauffement
Laser fs en médecine Alternative au LASIK : le laser femtoseconde
Chaîne femtoseconde Intérêt majeur des impulsions fs : P crête très élevée car l énergie apportée par la pompe (souvent continue) se trouve concentrée pendant des durées très brèves (ex : 10 fs, 1W, 100 MHz 1 MW) Impossible à amplifier directement sans exploser le milieu amplificateur!!! 100 MW 1 MW Ampli x100 Solution : Chirped Pulse Amplification (amplification d impulsions étalées spectralement) = tirer parti du fait que l impulsion a un spectre large
Principe CPA Laser Ti-Sa faible puissance (fs) (ns) (fs)
Lasers ultra-intenses Ex : Chaîne Ti-Sa (Japon, 2003) 0.85 PW (850 trillions de Watts ), 33 fs 1 PetaWatt = 10 15 W La chaine 100 TW du LULI
La physique de l extrême Fast ignition : coupler un laser Petawatt (fs) avec un laser megajoule (ns) pour accélérer la fusion thermonucléaire en focalisant le laser PW on peut atteindre des densités de puissance jamais atteintes ~10 21 W/cm² : simulation des conditions extrêmes régnant au coeur des étoiles
La physique de l extrême
Conclusion À méditer : 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 Phrase devenue célèbre attribuée à Pierre Aigrain, ancien secrétaire d état à la recherche, chercheur et membre de l académie des sciences, peu après 1960 (date de l invention du laser)