Les LASERS et leurs applications

Les LASERS et leurs applications 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 )

Plan I I. Les principes de base du laser A. Le milieu amplificateur B. Le pompage C. La cavité D. Les propriétés de la lumière LASER Spectrales Spatiales Temporelles

I.Les principes de base Qu est-ce qu un laser? Conditions d oscillation : analogie avec l oscillateur électronique Propriétés du rayonnement laser

Qu est ce qu un Laser? Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Concentré de Physique Fondamentale (Mécanique Quantique) et de Physique Appliquée (Ingenierie) 3 éléments de base A. Un milieu Amplificateur B. Une source externe d énergie : le pompage C. Une cavité résonante Les Bases

Un peu d Histoire C Cavité résonante Cavité Fabry Perot A Milieu amplificateur Emission Stimulée 1917 B Source d energie Pompage Optique 1949 Synthèse Réalisation 1960 1898 Einstein A. Kastler Maiman Les Bases Schawlow Townes Basov Prokhorov

A. Le milieu amplificateur Absorption Mécanismes classiques Emission spontanée (temps τ) Les Bases

L émission stimulée Emission stimulée Amplification Conditions : Même direction de propagation 2 ondes en phase Même état de polarisation Energie du photon incident (hν ) = Energie du niveau haut énergie du niveau bas ( E) N atomes excités > N atomes dans le niveau fondamental Les Bases Inversion de population indispensable

L inversion de population Etat stable : populations régies par la statistique de Boltzmann Energie Niveau excité n N i =A.e -Ei/kT Niveau excité Niveau 1 fondamental Population Il faut FORCER l inversion de Population en POMPANT le milieu Les Bases

L inversion de population Energie Niveau excité n N 2 Niveau excité Niveau 1 fondamental N 1 Entre ces deux niveaux : Inversion de population Population Les Bases

B. Le pompage Le pompage peut être optique de photons) ou électrique optique (absorption électrique (états excités créés suite à des collisions dans une décharge électrique par ex) Excitation extérieure apporte l énergie nécessaire au transfert d une majorité d atomes dans l état excité POMPAGE Les Bases Emission STIMULEE possible Le milieu est alors AMPLIFICATEUR

Un laser à 2 niveaux? POMPE Émission stimulée (2) (1) Émission spontanée Résultat de physique atomique (Einstein 1917): «Pour une transition donnée la probabilité d émission stimulée (pour 1 atome dans l état excité éclairé par 1 photon) est égale à la probabilité d absorption (pour 1 atome dans l état fondamental éclairé par un photon)» Donc : il est impossible en pompant une seule transition atomique d obtenir une inversion de population N 2 > N 1 Au maximum (fort pompage) : N 1 = N 2 Les Bases

Système à 3 niveaux (3) Inversion de Population difficile! Non radiatif (sans émission de photon) rapide (ns) (2) POMPE Effet laser On veut N 2 -N 1 le plus grand possible : Il faut peupler (2) OK Il faut vider (1) + dur!! (niveau fondamental) Les Bases (1) Fonctionnement en continu difficile à atteindre (le niveau (1) se repeuple dès que le laser marche!) Il existe un seuil de transparence (il faut pomper pour atteindre N = 0)

Système à 3 niveaux : exemple Th. Maiman,1960 (Impulsionnel µs) Les Bases

Quelques équations POMPE POMPE γ 32 (3) W p K W (1) (2) γ ij (s -1 ) = proba de désexcitation non radiative de (i) vers (j) W p (s -1 ) = proba d absorption de la pompe K (s -1 ) = proba d emission spontanée W (s -1 ) = proba d absorption ou d émission stimulée Ni (cm -3 )= densité d atomes dans le niveau I N = N1+N2+N3 Système à 3 niveaux Ecrivons les équations d évolution des populations de chaque niveau : dn 1 2 2 1 p 3 1 dt = + + dn dn K.N W.(N N ) W (N N ).N K.N W.(N N ) 2 32 3 2 2 1 dt =γ ( ).N W N N 3 32 3 p 3 1 dt = γ Les Bases

Quelques équations γ 32 (3) (2) Système à 3 niveaux En régime stationnaire W p K W POMPE POMPE (1) γ ij (s -1 ) = proba de désexcitation non radiative de (i) vers (j) W p (s -1 ) = proba d absorption de la pompe K (s -1 ) = proba d emission spontanée W (s -1 ) = proba d absorption ou d émission stimulée Ni (cm -3 )= densité d atomes dans le niveau I N = N1+N2+N3 dn 1 2 2 1 p 3 1 dt = + + dn dn K.N W.(N N ) W (N N ) N.N K.N W.(N N ) 2 32 3 2 2 1 dt =γ ( ).N W N N 3 32 3 p 3 1 dt = γ = 0 = 0 = 0 Les Bases

Quelques équations POMPE POMPE γ 32 (3) W p K W (1) (2) γ ij (s -1 ) = proba de désexcitation non radiative de (i) vers (j) W p (s -1 ) = proba d absorption de la pompe K (s -1 ) = proba d emission spontanée W (s -1 ) = proba d absorption ou d émission stimulée Ni (cm -3 )= densité d atomes dans le niveau I N = N1+N2+N3 Système à 3 niveaux Après un petit calcul : ( γ32 K.W ) p K. γ32 ( 3 2 ) ( 2 ) N = N W + K +γ.w + K + W. γ Inversion de population ( N>0)? a) γ 32 >K b) si γ 32 >>K : 32 p 32 Condition classiquement remplie N Wp K = N W + K + 2W Condition 2 : W p > K Transparence ( N>0) obtenue pour W p =K p Les Bases Il faut un pompage efficace pour réaliser cette condition

Système à 4 niveaux (3) Non radiatif rapide (2) Inversion de Population facile! Il faut peupler (2) OK Il faut vider (1) OK (vite dépeuplé vers (0) POMPE Effet laser (1) Rq : Dès que le pompage est actif (N 2 0) l inversion de population est atteinte (N 1 = 0) Non radiatif rapide (0) Fonctionnement en continu possible Pas de seuil de transparence Les Bases

Système à 4 niveaux : exemple Lasers solides à base de Néodyme La plupart des lasers fonctionnent sur des schémas 4 niveaux Grande variété de longueurs d ondes Valeurs fixées très précisement par la transition, non accordable Les Bases

Quelques équations POMPE POMPE γ 32 (3) W p K W γ 10 (0) (2) (1) γ ij (s -1 ) = proba de désexcitation non radiative de (i) vers (j) W p (s -1 ) = proba d absorption de la pompe K (s -1 ) = proba d emission spontanée W (s -1 ) = proba d absorption ou d émission stimulée Ni (cm -3 )= densité d atomes dans le niveau I N = N0+N1+N2+N3 Système à 4 niveaux Approx. γ 32 >> K (désexcitation 3-2 très rapide) Niveau 3 = intermédiaire de pompage (en regime permanent, N3 << N) N = N0+N1+N2+N3 N0+N1+N2 dn 0 10.N1 WpN 0 dt =γ dn 1 K.N 2 W.(N 2 N 1) 10.N 1 dt = + γ dn W.N K.N W.(N N) 2 p 0 2 2 1 dt = Les Bases

Quelques équations γ 32 (3) (2) Système à 4 niveaux En régime stationnaire W p K W POMPE POMPE γ 10 (0) (1) γ ij (s -1 ) = proba de désexcitation non radiative de (i) vers (j) W p (s -1 ) = proba d absorption de la pompe K (s -1 ) = proba d emission spontanée W (s -1 ) = proba d absorption ou d émission stimulée Ni (cm -3 )= densité d atomes dans le niveau I N = N0+N1+N2+N3 dn 0 10.N1 WpN 0 dt =γ dn 1 K.N 2 W.(N 2 N 1) 10.N 1 dt = + γ dn N = 0 W.N K.N W.(N N) 2 p 0 2 2 1 dt = = 0 = 0 Les Bases

Quelques équations POMPE POMPE γ 32 (3) W p K W γ 10 (0) (2) (1) γ ij (s -1 ) = proba de désexcitation non radiative de (i) vers (j) W p (s -1 ) = proba d absorption de la pompe K (s -1 ) = proba d emission spontanée W (s -1 ) = proba d absorption ou d émission stimulée Ni (cm -3 )= densité d atomes dans le niveau I N N0+N1+N2 Système à 4 niveaux Après un petit calcul ( γ10 K.W ) p ( 2 ) ( ) N = N W + K + γ.w + K + W. γ 10 p 10 Condition d inversion de population γ 10 > K Cette condition est en général largement verifiée (γ 10 >> K) On a alors : W N p p + + N W W K Transparence ( N>0) obtenue pour W p = 0 Les Bases Pas de condition sur le pompage pour un laser 4 niveaux!

3 niveaux / 4 niveaux N/N 1 3 niveaux N/N 4 niveaux 1 N seuil /N Inversion 0 1 Seuil Oscillation laser Saturation (cf plus loin) W p /K N seuil /N 0 Seuil Oscillation laser Saturation W p /K -1 Puissance Pente 4 Pente 3 Les Bases Pompe (W p ) Seuil 4 Seuil 3

Lasers accordables POMPE Relaxation rapide vers le bas de la bande λ 1 λ 2 Plage d émission = largeur de la bande inférieure Ex : Ti:Sa [700-1100 nm] Colorants (visible) λ 3 Arrivée sur un niveau quelconque de la bande inférieure Les Bases Rq : on utilise souvent un laser à fréquence fixe + un OPO pour obtenir un rayonnement accordable

C. La Cavité Permet de recycler les photons et d obtenir un effet en cacade Longueur multiple de λ : Ondes stationnaires La plus simple : 2 miroirs dont un partiellement réflechissant pour extraire les photons utiles Milieu Amplificateur Photons utiles 2L = n. λ ν = n. c/2l Les Bases Condition de Rebouclage en phase sur un aller-retour

Le résonateur Cavité classique Faces métalliques réflechissantes Modes de résonance de la cavité = ondes stationnaires d b a 1 2 2 2 2 c m n q υ mnq = + + 2 a b d m, n, q entiers c = vitesse de la lumière Nombre de modes N dans la cavité (volume V et un intervalle spectral ν) N = 8πν².V. ν / c 3 Pour λ = 10 cm (µondes), N ~ 1 : MASER Pour λ = 1 µm (optique), N ~ 10 9 : beaucoup trop! Les Bases

Le résonateur ouvert Solution : diminuer le nombre de mode en ouvrant ouvrant la cavité Peu d Aller-Retour avant de quitter la cavité : pas d amplification Beaucoup d AR avant de quitter la cavité : Amplification possible Résonateur type Fabry-Perot Les Bases

Les modes d une cavité Modes propres 2L = n. λ ν n = n. c/2l Condition de Rebouclage en phase sur un aller-retour L Dans l espace des fréquences : Au bout de quelques AR tout mode non résonnant a une intensité nulle Courbe de gain du milieu amplificateur Les Bases Copyright C/2L Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord ν

Répartition spectrale des modes Un mode νmpq = un triplet m, p, q m, p = modes transverses q = modes longitudinaux ν00q ν01q ν10q ν11q ν02q ν20q ν00q+1 ν01q+1 ν10q+1 ν11q+1ν02q+1 ν20q+1 ν q =c/2l Écart entre 2 modes longitudinaux consécutifs ν L = longueur de la cavité c = vitesse de la lumière Un laser est monomode longitudinal si seuls les modes TEM mpq lasent (q fixé) Les Bases Un laser est monomode transverse si seuls les modes TEM 00q lasent

Répartition spatiale des modes TEM00 TEM01 TEM11 TEM12 TEM33 Les Bases Copyright Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Stabilité d une cavité Condition sur les miroirs pour qu un rayon paraxial reste dans la cavité après un nombre infini d aller-retours 2 miroirs R 1, R 2, cavité de longueur L Les Bases

Types de cavité On a parlé que de cavités linéaires type : Milieu Amplificateur Mais toute cavité bouclée peut marcher! Ex : Cavité en anneau ( d remplace les 2L des expressions précédentes) d Les Bases Rq : Onde progressive : pas de brûlage de trous donc fonctionnement monomode plus facile

Résumé POMPAGE EMISSION STIMULEE CAVITE Les Bases

Résumé 2 Atomes dans le niveau fondamental Pompage (ici par flash) Atomes portés en majorité dans le niveau excité Emission spontanée/stimulée Effet cascade dû à la cavité Emission à travers un des miroirs Les Bases

Conditions d oscillation Tout oscillateur stable doit réunir trois ingrédients : Une condition sur le gain : Gain = Pertes sur un aller-retour retour en régime r stationnaire Gain exp (σ. N.L)( (σ = section efficace, N N = inversion de population, L = longueur du milieu amplificateur) Pertes = R miroirs + pertes intrinsèques (diffusion, diffraction ) Une condition sur la phase : résonance Un élément stabilisateur : la saturation du gain Les Bases

Analogie électronique Amplificateur électronique +Vcc Amplificateur optique pompe Icc Ve G é I s pompage = le circuit d alimentation V s =GV e Puissance de pompe : P pompe = V cc I cc La puissance de sortie : P sortie =V s I s Conservation énergie P sortie P entrée < P pompe Milieu amplificateur Pompage : optique (ou électrique) Ppompe = (Nbre photons pompe absorbés /s) x hν pompe (pour un pompage optique) Psortie : (Nbre photons en sortie /s) x hν laser Conservation énergie P sortie P entrée < P pompe Les Bases

Analogie électronique Un oscillateur électronique fonctionne si l oscillation générée à l entrée est en phase (rétroaction positive) ) avec le signal de rétroaction Ve G H H. GV s Vs V G = 1 HG s V e Condition oscillation : 1 HG = 0 Arg ( H ) = 0 ( jω) G( jω) la condition sur la phase fixe la fréquence d oscillation d ω 0 Les Bases ( optique : la cavité impose un «peigne» de fréquences)

Condition Gain = Pertes en régime stationnaire Exemple : Si le gain = 4 à chaque aller-retour dans le milieu amplificateur (donc gain simple passage = 2) il faut que les pertes divisent par 4 le nombre de photons 4 G x H = 1 ou G = 1/H 0.25 Gain Dans une cavité idéale sans autres pertes que celles du miroir de sortie : pertes G H R=100% Milieu Amplificateur G=2 G R=25% Les Bases M 1 M 2

Gain = Pertes Raisonnons sur les amplitudes Coefficient de réflexion en amplitude des miroirs : r²=r.e 2iϕ Gain en amplitude = e γl/2 e ikl Pertes en amplitude = e -α pl/2 e ikl En termes d Intensité : Gain : G=I 1 /I 0 =e γl avec R=Réflectance (=I 1 /I 0 ) et ϕ = déphasage apporté par le miroir (avec γ=σ. n) (pertes propres au milieu amplificateur) Pertes : A=e -α pl Donc sur un aller : G= e (γ-α p)l/2 e ikl Milieu Amplificateur Les Bases M 1 M 2 L Copyright Sébastien Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Gain = Pertes Suivons une onde E 0 e iωt qui quitte M 1 : E 0 e iωt E 0 e iωt.e (γ-αp)l/2 e ikl E 0 e iωt.e (γ- α p)l.r 2 )L.e 2ikL.r E 0 e iωt.e (γ- α p)l/2.r 2 )L/2 e ikl.r E 0 e iωt.e (γ- α p)l )L.e 2ikL.r.r 2.r 1 = E 0 e iωt état stationnaire Milieu Amplificateur M 1 Condition d oscillation : e (2ik+ L (2ik+γ-α p)l.r.r 2.r 1 =1 M2 Les Bases

Gain = Pertes Condition d oscillation : e (2ik+ (2ik+γ-α p)l.r.r 2.r 1 =1 1) Condition sur l amplitude : le gain doit surpasser les pertes r 1. r 2. e (γ-α p)l >1 Soit au seuil : γ seuil = αp ln ( r 1. r 2 )/L = αp ln (R 1. R 2 )/2L 2) Condition sur la phase : rebouclage de la phase e 2ik 2ikL =1 =1 soit 2kL=p.2π (k=2πn.ν/c) ν p =p.c/(2.n.l) Les Bases

Saturation du gain Avant l établissement du régime stationnaire, il faut que GAIN > Pertes pour que l intensité «se construise» dans la cavité Gain G 0 G(I) Point de fonctionnement Gain(I) = Pertes Stabilité : Pertes (1/H) - Si I augmente, Gain < pertes donc I diminue : stabilisation - Si I diminue, Gain > pertes donc I augmente : idem. Les Bases I Intensité laser dans la cavité

Et pourquoi le gain sature-t-il? (3) Non radiatif rapide (2) (3) Non radiatif rapide (2) POMPE Effet laser POMPE Effet laser (1) Non radiatif rapide (1) Les Bases Faible intensité : inversion de population forte N N = N 2 N 1 Gain exp (σ. N.L)( Forte intensité : chaque photon laser fait retomber un atome dans l état du bas : niveau du haut dépeuplé : N diminue!

Saturation du Gain En résumé : Le Gain G est proportionnel à l inversion de population N Sous le seuil : N croit linéairement avec le taux de pompage R Au dessus du seuil : N sature, car si le niveau superieur se remplit vite via le pompage R, il se vide également très vite via la transition laser : on atteint un équilibre. N reste constant, donc le gain aussi. Au dessus du seuil, toute la puissance de pompage sert à augmenter le signal optique N Photons N seuil Les Bases R seuil Pompage R seuil Pompage

Saturation du Gain E 0 e iωt E 0 e iωt.e (γ- α p)l E 0 e iωt.(e (γ- α p)l )L.e 2ikL.r.r 2.r 1 )L.e 2ikL.r.r 2.r 1 )² Milieu Amplificateur E =E 0 e iωt.[1+(e (γ- α p)l.e 2ikL.r 2.r 1 ) +(e (γ- α p)l.e 2ikL.r 2.r 1 )² + ) Sommation : E=E 1 2 e iωt ( γ αp ) 2 0 L i kl 1 r.r.e.e Quand le dénominateur s annule : Les Bases On retrouve la condition d oscillation On observe que γ max = γ seuil (calculé avant)! Saturation du gain G Gseuil

D.Propriétés de l émission LASER 1) Propriétés SPECTRALES Emission des X au lointain IR (λ<100( nm mm (THz)) Gamma X UV Visible Infrarouge Hyperfréquences Micro-onde Radio Les lasers en régime continu ou en régime d impulsions longues (>ns) sont monochromatiques (spectre( très fin λ < 1 nm) Attention, il existe aussi des lasers à spectre large! (Dépend du type de milieu amplificateur utilisé) Les Bases

Monochromatique? Modes autorisés par la cavité Courbe de Gain (non saturé) Pertes = Oscillation laser possible (gain> pertes) C/2L Ici : 5 modes possibles MHz Exemples Les Bases

Tous monochromatiques? Fonctionnement naturel Multimode ( ν ~ 10 10 Hz λ~ 0,01 nm) ν Fonctionnement monomode (pertes sélectives favorisant UN SEUL mode) A Ex : lasers pour la métrologie / télécom optiques ( ν ~ 10 6 Hz λ ~10-6 nm) ν 0 ν Fonctionnement fortement multimode : lasers NON monochromatiques Les Bases ex : Titane-saphir ν ν = 4.10 14 Hz λ ~ 300 nm

L Emission LASER 2)Propriétés SPATIALES Faisceau très directif, collimaté (divergence très faible) Profil Gaussien en général w(z) 2 w 0 r z θ=λ/πw 0 w²(z) = w 0 ² (1+(λz/πw 0 )²) 1/e Les Bases

Propriétés de l émission LASER Diamètre D Lentille focale f Ordre de grandeur : si f ~ D Φ ~ λ Diamètre au waist (=col en français) Φ = 4λ f / πd Focalisation sur des très petites dimensions (surface min ~ λ²) Conséquence de cette concentration dans l espace : Densités de Puissance énormes! Les Bases Ordre de grandeur : laser 10 W à λ = 500 nm (vert) : densité de puissance max au waist (=Puissance/surface) = 10/(0,5.10-6 )² = 4 GW/cm 2

L Emission LASER 3) Propriétés TEMPORELLES Fonctionnements possibles : Régime Continu Régime impulsionnel : Durées : de la µs à la femtoseconde (10-15 s) Cadences : de < 1Hz au GHz Conséquence de cette concentration dans le temps : Puissances Crêtes énormes! Ordre de grandeur : Laser impulsionnel 5 ns (durée impulsion), 10 Hz (cadence), 10 W (puissance moyenne) P crete = P moyen /(cadence x durée) = 200 MW!! (densité max au waist, si ce laser est focalisé sur λ² : ~10 16 W/cm 2 ) P crête Les Bases P moy

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 )

Différents types de lasers Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l optique non linéaire : comment changer la couleur d un laser? Types de lasers

Différents types de lasers Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l optique non linéaire : comment changer la couleur d un laser?

Les lasers à Gaz Visible Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Infrarouge Laser CO 2 Lasers Chimiques HF Lasers à gaz Ultraviolet Laser Excimère

Les lasers à Gaz Visible Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Infrarouge Laser CO 2 Lasers Chimiques HF Lasers à gaz Ultraviolet Laser Excimère

Le laser He-Ne Premier laser à gaz réalisé (JAVAN 1960) Principe : pompage par décharge électrique + transfert d énergie entre l Helium et le Néon 3s 2s 1s Lasers à gaz

Le laser He-Ne La transition la plus connue est à 633 nm Très utilisée pour l alignement (faible puissance) Lasers à gaz TEM 00, polarisé, faible puissance (qql mw)

Les lasers à gaz ionisé Milieu actif = gaz ionisé (Ar,, Kr ) Pompage = décharge électrique Argon Argon : 364 nm, 488 nm, 514 nm Lasers à gaz Krypton Krypton : 647 nm (+ autres raies visibles)

Les lasers à gaz ionisé Fortes puissances possibles (20 W CW classique) Refroidissement par eau (fortes puissances) ou par air Encombrants et rendement electrique-optique faible (<0,01%) Lasers à gaz Refroidissement par eau Refroidissement par air

Les lasers à gaz ionisé Argon : 364 nm, 488 nm, 514 nm Krypton : 647 nm (+ autres raies visibles) Utilisés par exemple pour les shows laser Argon Argon + Krypton Lasers à gaz

Les lasers à Gaz Visible Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Infrarouge Laser CO 2 Lasers Chimiques HF Lasers à gaz Ultraviolet Laser Excimère

Le laser CO 2 Moyen IR (9.6 et 10.6 µm) Très grandes puissances possibles (100 kw CW) Marché industriel énorme : découpe/soudure des matériaux Lasers à gaz

Le laser CO 2 Transition entre 2 niveaux vibrationnels de la molécule de CO 2 Pompage par décharge électrique ou RF Excitation des molécules de CO 2 Collisions avec les molécules de N 2 Collisions inélastiques avec des électrons de faible énergie (5 ev) Lasers à gaz

Le laser CO 2 Lasers à gaz

Les lasers à vapeur de cuivre Laser visible impulsionnel de forte puissance moyenne Milieu amplificateur : mélange de néon et de vapeur de cuivre Longueurs d onde : 510 nm (vert) et 578 nm (jaune) Application : pompage de lasers à colorant pour le procédé SILVA (Séparation Isotopique par Laser en Vapeur Atomique)du CEA (enrichissement de l uranium en isotope U235 par photo-ionisation sélective vers 625 nm) maintenant abandonné. Lasers à gaz

Les lasers à Azote (N 2 ) Milieu amplificateur : Azote gazeux, statique ou en flux Pompage électrique Emission dans l UV (337.1 nm) Uniquement pulsé (ns) Laser bon marché,, puissant (P( crête = qql MW) Peu efficace (rendement = 0.1%) Lasers à gaz Effet laser obtenu à partir de l Azote atmosphérique par décharge électrique : (Pas de cavité!)

Les lasers chimiques Ex : le laser HF/DF (Hydrogène-Fluor ou Deuterium-Fluor Fluor) L inversion de population est produite, par une réaction chimique exothermique dans le milieu amplificateur. Ces réactions produisent des molécules excitées (l inversion de population est donc automatique) à des niveaux de vibrations élevés, qui en se désexcitant, peuvent émettre de la lumière cohérente dans la gamme 3-5 µm. Application principale: domaine militaire (arme anti-missile ou antisatellite). Ex: laser MIRACL (US army) : Aire faisceau = 14 cm 2 et Puissance = 2,3 MW. Lasers à gaz

Application des lasers chimiques Lasers très volumineux, souvent monocoup application exclusivement militaire : destruction de missiles Lasers à gaz

The airborne laser program But : détruire les missiles le plus tôt possible après leur lancement - 7 Boeing 747 équipés (un laser chimique + lasers de pointé), 5 en vol en permanence Projet lancé par le Pentagone en 1996 pour se terminer en 2006 Lasers à gaz En fevrier 2006 : déclassé au titre de programme expérimental

Les lasers à Gaz Visible Laser à Argon ionisé Laser à Krypton ionisé Laser He-Ne Infrarouge Laser CO 2 Lasers Chimiques HF Lasers à gaz Ultraviolet Laser Excimère

Les lasers excimères Ex : les lasers ArF, KrF, XeCl, XeF Ces excimères (excited dimers) ont des états excités stables et des états fondamentaux instables. L excitation (par decharge electrique) produit automatiquement une inversion de population (la population dans le niveau fondamental est par definition nulle!). Emission dans l UV F 2 ArF KrF XeCl XeF (principales raies à 157,193, 248, 308, 351 nm) Fonctionnement pulsé seulement (µs à ps) Applications : Biologie, Médecine, découpe, lithographie pour la microélectronique Lasers à gaz

Différents types de lasers Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l optique non linéaire : comment changer la couleur d un laser?

Le laser à Colorant Le milieux actif est un colorant organique fluorescent, en solution dans un liquide. Le pompage se fait optiquement (par un autre laser) - intérêt majeur : ils sont accordables. - Tout le spectre visible peut être balayé par des lasers à colorant. Ces lasers sont peu pratiques (remplacement régulier du colorant, produits toxiques ) et sont surtout utilisés pour la recherche Colorant Laser à colorant pompé optiquement par un laser à argon

Le laser à Colorant Longueurs d ondes accessibles avec différents colorants : Accordabilité (pour un colorant donné) obtenue avec un reseau intracavité par ex. Colorant

Différents types de lasers Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l optique non linéaire : comment changer la couleur d un laser?

Les lasers Solides Définition: Milieu amplificateur = cristal (ou verre) dopé avec des ions aux propriétés laser (avec un schéma à 3 ou 4 niveaux) - principaux ions laser utilisés : Néodyme (Nd 3+ ), titane Ti 3+, ytterbium - matrices hôtes sont variées : YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) et variantes, Verres, Saphir Lasers Solides

Les lasers Solides Croissance des cristaux : Méthode Czochralski Lasers Solides Taille maxi obtenue en labo : monocristal de 15 cm de diamètre

Le laser Nd:YAG Nd 3+ Nd :Y 3 Al 5 O 12 3+ :Y Niveaux d énergie supérieure (peuplés par le pompage) 4 S 3/2 -- 4 F 7/2 4 F 5/2 -- 3 H 9/2 Bandes de pompage 0,73 µm 0,808 µm 4 F 3/2 Décroissance rapide non radiative Niveaux d énergie supérieure (métastable) τ r = 240 µs 4 I 9/2 4 I 15/2 4 I 13/2 4 I 11/2 1444 nm 1064 nm 946 nm Lasers Solides Etat fondamental

Le laser Nd:YAG Pompage par lampe flash ou par diode laser (Lasers de forte puissance) Lasers Solides

Pompage par flash cavité réfléchissante Barreau laser faisceau laser lampe flash Flashs et barreaux aux foyers de 2 réflecteurs elliptiques source de tension Lasers Solides

Le laser Ti:Sa Principal laser solide accordable Ti 3+ : Al 2 O 3 Lasers Solides

Pompage d un laser Ti:Sa Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (il n existe pas de diodes laser vertes de puissance) Argon Nd:YAG 2ω Pompage par un autre laser : Argon ou laser solide doublé en fréquence Le rendement et la compacité totale sont donc médiocres Spectre d émission très large : Accordabilité étendue Lasers Solides Possibilité de générer des impulsions ultracourtes (laser à verrouillage de modes limite théorique Ti-Sa = 4 fs)

Différents types de lasers Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l optique non linéaire : comment changer la couleur d un laser?

Principe ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME DES BANDES D ENERGIE bande de conduction E f bande de valence E g =gap E f bande de conduction bande de valence kt~e g { bande de conduction } bande de valence bande pleine bande pleine bande pleine ISOLANT SEMICONDUCTEUR METAL Diodes lasers

Principe SEMICONDUCTEURS DOPÉS Si Si Si Si électron supplémentaire mobile Si Si Si Si V Si Si Si Si Si Si Si excès d électrons Si Si Si Si semiconducteur dopé n Si Si Si Si électron manquant = trou mobile Si Si Si Si III Si électron manquant Si Si Si Si Si Si déficit d électrons ou excès de trous Diodes lasers semiconducteur dopé p

Principe semiconducteur dopé p Bande de conduction Sans champ appliqué jonction STRUCTURE DE BANDES semiconducteur dopé n Tension appliquée, création d un courant d électrons et de trous émission de lumière recombinaison des électrons et des tro E f, C électrons E f E f, V trous Photons Bande de valence Diodes lasers Le silicium massif ne peut pas émettre de lumière (SC à gap indirect) : les SC utilisés pour les diodes laser sont à gap direct : GaAs, InGaAs, AlGaAs etc.

Principe DOUBLE HÉTÉROJONCTION Confinement des photons Confinement des porteurs (électrons et trous) «entonnoir à électrons» n petit gap > n grand gap (dans la direction verticale. Horizontalement : ruban) d Grand Gap Petit Gap Grand Gap d Indice de réfraction Diodes lasers GaAlAs GaAs GaAlAs

Principe Puits quantiques AlSb InAs AlSb Conduction band quantum well V(z) Energy AlAs E 2 E 1 AlAs GaAs Valence band quantum well Position z Croissance Diodes lasers

Principe Principe : accoler deux materiaux différents Attention : les paramètres de maille doivent être compatibles! Exemple : GaAs = AlAs = 5.63Å AlAs Bande de Conduction E G = 2.2eV AlAs GaAs AlAs GaAs Bande de Conduction E G = 1.43eV Bande de Valence Bande de Valence Diodes lasers Puits quantique = double héterostructure de petite taille (nm) Le puits quantique est la brique de base de l ingénierie quantique

Principe ARCHITECTURES DES DIODES LASER Métal + P couche active dopée p + Métal Métal SiO 2 SiO 2 + couche active dopée p N couche active dopée p N P N _ Métal N P n N Métal Métal Diodes lasers

Technologie TECHNIQUE DE CROISSANCE : MBE Epitaxie par Jet Moléculaire GaAs Substrate Al High Vacuum chamber Ga AlAs GaAs As Diodes lasers

Propriétés des diodes laser Section émettrice: de 1µm x 3µm (faible puissance) jusqu à 1 µm x plusieurs centaines de µm de longueur Divergence : 10 x 30 (FWHM) environ Puissance : de qq mw à 200 mw avec un faisceau de même qualité qu un laser Pour des puissances > 200 mw : faisceau + divergent qu un faisceau laser de même taille Problème : un tel faisceau ne peut plus être focalisé sur une tache de diffraction de taille ~λ² Efficacité de conversion électrique-optique : 30 à 50 % Durée de vie (10 000 heures) Les Performances (seuil, longueur d onde, efficacité, durée de vie) dépendent de la température Diodes lasers

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

Propriétés Couplage dans une fibre optique vue de dessus du couplage direct d une diode laser avec une fibre lentillée Diodes lasers

Contrôle spectral AFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ Milieu actif Traitement AR Optique de collimation Mirroir de sortie Cavité externe réseau Milieu actif Miroir de fond de cavité (réseau) Mirroir de sortie Distributed feedback (DFB) Milieu actif Miroir de fond de cavité (réseau) Distributed Bragg Reflector (DBR) Diodes lasers Applications : télécommunications (DWDM) et spectroscopie

Diodes de puissance Diodes MONORUBAN : 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 500 µm Problème : Faisceau non limité par diffraction BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE Puissance de 40 à 60 W continue à 808 nm (AlGaAs) ou entre 940 et 980 nm (InGaAs) 20 à 40 mono-émetteurs sur 1 cm de long, facteur de remplissage : 50 % Pas de cohérence entre la lumière émise par chaque émetteur Divergence : 40 (direction perpendiculaire à la jonction, 1 µm) 10 (direction parallèle à la jonction, 1 cm) M 2 = 1000 (//) par 1 ( ) Diodes lasers Emission très dissymétrique!!!

Diodes de puissance BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE Diodes lasers Assemblage de diodes laser émettant une puissance crête de 1.6 KW Livermore (LLNL)

Diodes de puissance Diodes de puissance FIBREES OPTO POWER Diode laser continue AlGaAs fibrée de 20 W @ 808 nm (base des lasers solides pompés par diodes de Spectra Physics) Diodes lasers

Diodes de puissance Problème majeur : Augmentation de la puissance Baisse de la luminance Figure de Mérite = = luminance ( brightness, brillance) puissance surface émettrice x divergence diode monomode spatial: 100 mw --> 40 MW/cm 2.rd 2 diode monomode spatial : 1W --> 400 MW/cm 2.rd 2 diode multimode : 1 W (1µm per 100 µm) --> 10 MW/cm 2.rd 2 barrettes de diodes: 20 W (1µm par 1 cm) --> 1 MW/cm 2.rd 2 diode fibrée: 15 W (600 µm, ON 0,2) --> 100 kw/cm 2.rd 2 (laser CO 2 de 1 kw --> 100 MW/cm 2.rd 2 ) Diodes lasers --> Remise en forme: - utilisation directe en usinage des matériaux - pompage optique de lasers solides

Contrôle spatial Barrettes de diodes : rayonnement très dissymétrique Remise en forme du faisceau nécessaire Deux Exemples : (il existe moultesautresméthodes) Lens duc Stack de diodes InGaAs Lentilles cylindriques de collimation Diodes lasers

Applications Pour les diodes de faible puissance : Telecoms (λ~1,55( µm) Spectroscopie (détection de polluants ) Lecteurs/graveurs de CD/DVD Imprimantes Laser Pour les diodes de forte puissance : Pompage des Lasers Solides Diodes lasers

Pourquoi? Une diode laser pour pomper un autre laser? Plus compact et plus fiable Plus efficace Recouvrement spectre diode/bandes d absorption du cristal Rendement électrique/optique: jusqu à 15% à la prise pour un laser solide pompé par diode Faisceau limité par diffraction (i.e. petite surface théoriquement accessible : λ²) (i.e. que l on peut focaliser sur la plus Diodes lasers Inconvénients : Tous les matériaux solides ne sont pas «pompables» par diode : limite le choix en longueur d onde (dans l infrarouge autour de 1 µm principalement) Contrôle de la température nécessaire Assez cher!

Pompage par diode Système diode + Laser un convertisseur de mode spatial - pompe multimode transverse --> émission monomode un convertisseur de fréquence - transformation du caractère multimode de la pompe en un faisceau monofréquence (par injection ou filtrage) Diodes de pompage multimodes spatiales Milieu à gain Faisceau laser monomode transverse Lasers Solides

Pompage par diode Faible puissance Nd:YAG Polariseur Coherent Puissance de sortie : 0,5 W Diode de pompage @ 808 nm Forte puissance P = 13 W cw, TEM 00 Ppompe = 26W Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Miroir Rmax Nd:YVO 4 Nd:YVO 4 : plus forte absorption que le Nd:YAG Barette de diode laser fibrée 20 W @ 808 nm Spectra Physics Lasers Solides Miroir de sortie T = 18 % Gestion des effets thermiques!!!

Pompage par diode LE PREMIER LASER SOLIDE POMPÉ PAR DIODES Fonctionnement à l azote liquide (77 K) Keyes and Quist (Appl. Phys. Lett 4, p. 50, 1964) Lasers Solides

Pompage par diode CONFIGURATIONS DE POMPAGE Pompage longitudinal Cristal Diode de pompe Miroirs de la cavité - bon recouvrement entre le faisceau de pompe et le faisceau intracavité - faisceau de bonne qualité spatiale - diode de pompage de forte luminance - la puissance de pompe est limitée - seuil de dommage des faces d entrée Pompage transverse Cristal : barreau (rod) ou plaque (slab) Diode de pompe - diodes de pompage de forte puissance ou énergie - meilleur gestion de la thermique - diode de pompage de faible luminance - faisceau de moins bonne qualité Lasers Solides

Pompage par diode Exemple d architecture: lentille Nd:YAG Polariseur Coherent Puissance de sortie : 0,5 W à 1064 nm Diode de pompage @ 808 nm Pompage longitudinal Lasers Solides Exemples de pompage longitudinal (le faisceau de diode et le faisceau laser sont colinéaires) Exemple de pompage transverse (le barreau est pompé de côté : pour les lasers de puissance)

Pompage par diode Pompage longitudinal Un exemple d application : les Microlasers Principe : les miroirs de la cavité sont déposés directement sur le cristal pas d alignement et des désalignement de la cavité assemblage monolithique possibilité de fonctionnement monomode Cristal : Nd:YAG (qql mm) Lasers Solides Diode de pompage @ 808 nm faisceau à 1,064 µm Miroirs de la cavité Entrée HT @ 808 nm, HR @ 1064 nm Sortie HR @ 808 nm, T= 5 % @ 1064 nm

Pompage par diode Pompage longitudinal Un exemple d application : les Microlasers Substrat de Nd:YAG Φ= 25 mm, 0,5-1,5 mm Polissage Épitaxie en phase liquide d une couche de Cr 4+ :YAG 100-150 µm Polissage du Cr 4+ :YAG, 30-50 µm Dépots des miroirs Découpage des microlasers 1 x 1 mm 2 Production de masse : Bas coût Lasers Solides > 200 microlasers sur un substrat de 1 pouce de diamètre (25,4 mm)

Pompage par diode Pompage longitudinal Volume total : 1mm 3 Diode de pompage @ 808 nm Microlaser impulsionnel Cristal : Nd:YAG Application : pointeurs lasers verts faisceau à 1,064 µm Absorbant saturable Cr 4+ :YAG (30-50 µm) Lasers Solides

Pompage par diode Pompage longitudinal Lasers Solides Système RGB :

Pompage par diode Pompage transverse Un exemple d application Pour le développement de lasers Nd:YAG de forte puissance pompés par des barettes ou des stacks Barreau (adapté aux barettes) Pompage configuration zigzag plaque pour les stacks miroir de fond de cavité Pompage Miroir de sortie Gestion de la thermique (homogénéisation) 1. barreau Nd:YAG 2. faisceau laser 3. miroir de sortie 4. barette de diodes 5. optique de collimation 6. miroir Rmax 7. refroidissement 8. alimentation électrique Lasers Solides

Pompage par diode Pompage transverse Un exemple d application Ultra-forte puissances : configuration MOPA (Master Oscillator-Power Amplifier) Laser infinity de Coherent Lasers Solides

Pompage par diode Pompage transverse Un exemple d application Ultra-forte puissances : configuration MOPA Optique de conjugaison des deux barreaux de Nd:YAG Amplificateur Cristaux non linéaires (BaB 2 O 4 ) Miroir à conjugaison de phase Laser solide pompé par diode Lasers Solides Isolateur optique (rotateur de Faraday)

Pompage par diode Pompage transverse Un exemple d application Ultra-forte puissances : configuration MOPA (Master Oscillator-Power Amplifier) Lasers Solides Copyright Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Pompage par diode Le Thin disc laser ou disque mince Brevet de l Université de Stuttgart Miroirs de la cavité Miroirs Sphériques pour la pompe -Pompage «recyclé» : Multiple-réflexions pour le faisceau de pompe dans le cristal -Cristal mince pour un refroidissement efficace Miroir plan Cristal Yb:YAG et refroidissement à basse T Bundle de diodes fibrées Lasers Solides

Les Lasers à fibre Le milieu amplificateur est une fibre optique dopée avec des ions terres rares (Erbium et/ou Ytterbium essentiellement) Compacité, souplesse, robustesse La cavité peut être très longue Répartition des effets thermiques Fortes puissances avec bonne qualité spatiale Pompe λ s λ p λ s Lasers Solides Oscillation à λ s

Les Lasers à fibre Cavité: Miroirs type Bragg Excitation UV extérieure (Ex : Laser Excimere, cf plus loin) Masque de phase Miroir basé sur un principe interférentiel Très sélectif en longueur d onde Lasers Solides n Fibre optique

Les Lasers à fibre Effets Non-Linéaires : très présents car les densités de puissance sont fortes (diamètre fibre = qql µm) Problème : Limitent la puissance accessible avec une bonne qualité spectrale Avantage : Nouvelles longueurs d ondes Laser Raman Effet Raman décalage de la λ de λ Lasers Solides Ex : Laser dans la fibre λ s1 Milieu amplificateur: Fibre dopée au phosphore λ s2 λ s3 3 stokes en cascade 100% 100% 100% 100% 100% 100% 80% λ p λ s3 λ s2 λ s1

Les Lasers à fibre Le pompage : Comment injecter une diode de puissance (multimode) dans une fibre optique monomode? Une solution : fibre à double coeur Gaine silice haut indice Polymère Fibre silice dopée Yb monomode Fortes puissances possibles! Gaine polymère bas indice Lasers Solides Le Futur : fibres photoniques

Différents types de lasers Lasers à Gaz Lasers à liquide (colorants) Lasers Solides Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs ou diodes laser l optique non linéaire : comment changer la couleur d un laser?

Optique NON linéaire ONL

Origine de la nonlinéarité Les électrons des atomes oscillent à la fréquence du champ électrique de l onde Les électrons en mouvement rayonnent un champ (comme une antenne) ) de même fréquence : phénomènes de propagation, réfraction, diffusion usuels noyau - Nuage électronique Si les électrons sont trop secoués (par un champ intense), le déplacement du centre de masse du nuage électronique n est plus sinusoïdal (comme un ressort qu on a tiré trop fort) : il apparait des fréquences nouvelles dans le champ rayonné par l atome noyau - ONL (par ex ici dans un cristal non centrosymétrique où le déplacement du nuage ne se fait plus de façon symétrique)

En pratique Très utilisé pour convertir le rayonnement infrarouge (très facile à obtenir) en rayonnement visible et UV (pas de cristaux émettant directement dans l UV) : la plupart des lasers solides visibles et UV du commerce sont en fait des lasers infrarouges suivis de cristaux nonlinéaires Ex : les pointeurs laser verts ONL

Autres applications Laser blanc (continuum) obtenu à partir d un laser monochromatique dans une fibre optique présentant de très fortes nonlinéarités Système RGB (laser rouge, vert, bleu) pour le cinéma ou la télévision laser : ONL

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 )

Fonctionnement Continu - On pompe le laser et le gain augmente. - Lorsque le gain DÉPASSE les pertes (SEUIL( SEUIL), l oscillation laser s installe dans la cavité - Le gain est alors FIXE et EGAL aux pertes. - Le laser est en régime stationnaire. En pratique : - Pour des puissances faibles (<100 mw) et si la longueur d onde requise le permet : on essaie d utiliser des diodes laser (coût) Lasers Continus - pour des puissances supérieures : ça dépend de l application

Stockage d informations Lecture du CD-R ou RW Lasers Continus La reflexion du laser est différente sur un «plat» (land) et sur un «saut» (bump) entre deux plats.

CD vs DVD Stockage d informations Le DVD (Digital Versatil Disc) permet de stocker plus d information en réduisant la taille des cuvettes unitaires Comment? En reduisant la longueur d onde du laser! En effet Diamètre min. possible λ² (lois de la diffraction) Passage du proche IR (800 nm pour CD) au rouge (630 nm pour DVD) 700 Mo à 4.7 Go (DVD simple) voire 17 Go (double face double couche) L avenir : le Blue Disk Lasers Continus Utilisation de diodes lasers BLEUES : capacité augmentées à 27 Go (= 13 h de vidéo compressée)

Stockage d informations Principe du CD/DVD-R Ecriture du CD-R Laser Focalisé chauffe le colorant organique Déformation du substrat plastique = formations de bosses et de trous ( 0 ou 1 ) Lasers Continus

Stockage d informations CD réinscriptibles : CD-RW Materiau pour CD réinscriptibles : alliage de métaux présentant 2 Phases (cristalline et amorphe) La même diode laser peut fonctionner à 3 puissances différentes : forte puissance : changement de phase par chauffage de cristallin (réfléchissant) amorphe (opaque) : ECRITURE puissance moyenne : amorphe cristallin : EFFACAGE puissance faible : LECTURE Alliage (AgInSbTe) Lasers Continus

Télécoms Téléphonie et Internet : communications par fibre optique demande exponentielle de bande passante pour la vidéo (mais besoins surestimés lors de la «bulle télécom» en 2000) Aussi : Communications inter-satellites (espace libre) Lasers Continus

Télécoms La Fibre Optique C

Télécoms C Diode laser de faible puissance, à 1.55 µm Lasers Continus

Télécoms Amplificateurs Optiques C Lasers Continus

Télécoms Lasers Continus

Télécoms C Lasers Continus

Mesures Optiques L utilisation des lasers permet d augmenter la précision et la diversité des mesures : Utilisation du caractère ondulatoire cohérent (interféromètres)) = précision meilleure que λ! Directivité : le laser permet de matérialiser des lignes parfaitement droites Puissance : mesure sur des grandes distances (ex : mesure distance terre-lune lune, lidar) Lasers Continus

Mesures Optiques Mesure de la distance Terre-Lune Observatoire de la Côte d Azur, plateau de Calern Un laser envoie 10 pulses par seconde en direction de la Lune. Le nombre de photons réfléchis est très faible, de l'ordre d'un photon par 100 tirs, collecté par un télescope de 1.5 m de diamètre. L'intervalle de temps entre l'émission des pulses lumineux et la réception du signal en retour, entre 2.3 et 2.8 secondes, fournit la distance Terre-Lune. Cet intervalle est mesuré avec une précision de 7 à 10 ps, ce qui fournit une distance entre l'émetteur et le récepteur à 3mm près en moyenne. Lasers Continus

Mesures Optiques Principe (valable aussi avec les satellites) Diamètre du faisceau sur la lune : 10 km (1.3 km théoriques en corrigeant les perturbations atmosphériques par une optique adaptative haut de gamme ) Lasers Continus laser Nd:YAG doublé en fréquence émettant à 10 Hz : chaque tir est composé d'une impulsion d environ 300 ps. L'énergie par tir est de 400 mj, soit 200 mj dans le vert et 200 mj dans le proche Infrarouge (IR).

Mesures Optiques Le LIDAR (=LIght Detection and and Ranging,, = RADAR optique) Même principe : la mesure du temps d aller-retour retour du laser permet d obtenir la hauteur de la cible visée, et donc de cartographier la zone. Lasers Continus

Mesures Optiques Interférométrie, Holographie Mesure de déplacements ou de déformation sub microniques Possibles grâce à la cohérence des lasers utilisés (Lasers à gaz en général, typiquement He-Ne Ne)) Exemple : Pour mesurer des défauts d épaisseur, on utilise des interféromètres (Zygo, Fizeau, Michelson). La modification de la figure d interférences est fonction du chemin optique supplémentaire parcouru par le rayon, ie: du défaut d épaisseur. On peut ainsi en analysant complètement l interférogramme déterminer l état de surface d un composant optique. Lasers Continus

Gyrolaser Mesures Optiques Mesure de rotations Indispensables dans les avions,, les satellites, les sous-marins marins Deux rayons laser se réfléchissent sur 3 miroirs afin de former un triangle. L'un parcourt le triangle dans le sens trigonométrique, l'autre dans le sans anti-trigonométrique. Si le gyroscope est immobile, les deux rayons mettront le même temps pour parcourir le triangle. Par contre, si le système est mis en mouvement, la durée de la trajectoire d'un des rayons augmentera tandis que l'autre diminuera. Ainsi, on peut en déduire l'angle de rotation que le système a subi. Codes Barres Diodes lasers rouges Détecte les variations de reflexion entre bandes noires et blanches Lasers Continus

Mesures optiques Autres exemples : Mesure de fréquences Mesure du temps (Horloges Atomiques) Mesures spectroscopiques Gyromètres Mesures de direction pour pointé (guidage de missiles, niveau laser pour architectes ) Lecture de codes-barres dans les supermarchés Lasers Continus

Shows laser Shows lasers : lasers visibles continus Argon, Krypton,, Laser solides solides + conversion de fréquence Lasers Continus

Traitement des matériaux Lasers Continus

Traitement des matériaux Lasers Continus

Médecine Chirurgie «esthétique» Les lasers continus sont recherchés pour des traitements nécessitant un chauffage localisé : Laser CO 2 AVANT APRES Lasers Continus

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 )

Principe: Mode déclenché : Q-switch 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. Q-switch

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. Q-switch

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. Q-switch

Évolution d un laser à mode déclenché Pertes Niveau haut Gain Niveau bas Q-switch 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.

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 Q-switch

Conditions nécessaires au Q-switch (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. Q-switch

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 Q-switch

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) Q-switch

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 Q-switch Données typiques des lasers déclenchés ( Q-switched lasers ) : - Durée de l impulsion : ~ 1 à 100 ns - Cadence : de quelques Hz à 100 khz

Ophtalmologie Applications médicales des lasers déclenchés LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue). Utilisation d un Laser Excimère impulsionnel (UV) Q-switch http://www.lasik.asso.fr/?q=node/320

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

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

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

Traitement des matériaux Q-switch

Traitement des matériaux Q-switch

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

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 Q-switch

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

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 : 3-53 5 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.) Q-switch

Principe Une des lignes du NIF : http://www.llnl.gov/nif/project/animations/beamline_anim.mov 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 Q-switch 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)

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

Forte Puissance Les amplis et le transport des faisceaux : Q-switch

Forte Puissance La chambre d expérience Projet Megajoule Q-switch

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 )

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) Mode-Lock

Modes longitudinaux http://nano.jyu.fi/summerschool06/lectures/baumert2.ppt Gain Boundary Condition: Allowed Modes: Mode Distance: Mode-Lock = const.

Le verrouillage de modes Mode-Lock

Le verrouillage de modes Mode-Lock

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 Mode-Lock (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 Mode-Lock

Le verrouillage de modes Mode-Lock

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 Mode-Lock - 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 Mode-Lock

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 Mode-Lock

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 Mode-Lock

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 Mode-Lock

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 Mode-Lock

Laser fs en médecine Alternative au LASIK : le laser femtoseconde Mode-Lock

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 Mode-Lock

Principe CPA Laser Ti-Sa faible puissance (fs) (ns) (fs) Mode-Lock

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 Mode-Lock

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 Mode-Lock

La physique de l extrême Mode-Lock

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)