Le laser a 50 ans ! Un laser, comment ça marche?

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1 Le laser a 50 ans ! Un laser, comment ça marche?
Un laser, à quoi ça sert ? Pour tous publics.

2 Caractéristiques de la lumière laser ?
Toujours : Lumière directive : un axe de visée, faible divergence (mrad) Lumière cohérente : tous les photons ont une phase bien définie Eventuellement : Lumière monochromatique : une seule couleur Lumière concentré dans le temps : impulsions lumineuses brèves

3 Comment fonctionne un laser ?
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Soit en français: amplification de lumière par émission stimulée L’absorption La lumière est absorbée par la matière Exemple : les lunettes de soleil L’émission spontanée La matière émet de la lumière Exemple : fluorescence des tissus sous lampe UV L’émission stimulée 1 photon en entrée photons en sortie Amplification de lumière 2 photons jumeaux

4 Comment fonctionne un laser ?
Miroir pompage Émission spontanée, début de l’émission stimulée Milieu non excité Milieu excité Faisceau laser

5 Qu’est-ce qu’un laser ? vidéo

6 Quelles sont les dates associées au laser ?
1917 : Albert Einstein décrit de façon théorique le principe de l’émission stimulée Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Allemagne, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, Etats-Unis est un physicien américain d’origine allemande. 1950 : Alfred Kastler met au point le pompage optique Alfred Kastler est un physicien français, né le 3 mai 1902 à Guebwiller et décédé le 7 janvier 1984 à Bandol, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1966 Il fut Professeur de Physique à l’université de Bordeaux !

7 Quelles sont les dates associées au laser ?
1954 : Mise au point du premier MASER, ancêtre du laser fonctionnant dans le domaine des Micro-ondes par Charles Hard Townes. 1958 : Conception théorique du LASER par Townes et Schawlow Charles Hard Townes (né le 28 juillet 1915) est un physicien américain . Arthur Leonard Schawlow (5 mai avril 1999) est un physicien américain.

8 Quelles sont les dates associées au laser ?
16 mai 1960 : Le premier laser (à rubis) est construit par Théodore Harold Maiman Schéma du premier laser à rubis Alimentation électrique Miroir à 100% de réflexion Tube flash en quartz Cristal de rubis Faisceau laser Miroir à 95% de réflexion Cylindre réfléchissant en aluminium interrupteur Théodore Harold Maiman (né 11 juillet 1927 à Denver, États-Unis et mort le 5 mai 2007 à Vancouver, Canada), est un physicien américain. 1965 : Les premiers lasers en Aquitaine

9 Marché mondial du laser en 2009
Entre 6 et 7 milliards de dollars 55 à 60% des revenus proviennent des diodes laser Les lasers par domaines d’application Recherche 3 % Autres 8 % Industrie Découpe, usinage, gravure, soudure 29 % Médical Thérapie et diagnostic 7 % Stockage de données 26 % Communications 27 %

10 Le laser dans l’industrie / Marquage
Point de Focalisation Solide 1 mm Forte focalisation gravure très fine La possibilité de déplacer le faisceau laser a l’aide de miroirs mobiles et de varier largement son intensité en font un outil de choix pour la gravure sans contact à grande vitesse. De plus, la possibilité de focaliser le faisceau sur une toute petite surface permet des gravures très fines. Cette technique laser est beaucoup plus saine que les techniques concurrentes dans le domaine alimentaire avec les impressions jet d’encre et, de plus , attaquant légèrement la surface, elles sont indestructibles. La possibilité aussi d’inscrire dans le volume est unique avec des faisceaux laser. En surface Dans le volume Seul le laser peut le faire !

11 Le laser dans l’industrie / Découpe
Faisceau laser Lentille Buse Gaz d’assistance A forte puissance, l’attaque de la surface peut conduire a sa découpe avec les mêmes caractéristiques de précision et de vitesse. Il est possible d’utiliser un gaz qui emporte les débris et fumées loin de la lentille de focalisation afin d’éviter de la salir. Avec des puissance de l’ordre du KW lumineux, sur des matériaux comme l’acier, on peut atteindre des vitesses de découpe de l’ordre du 20 mètres par minute dans de l’acier de 15 mm d’épaisseur vidéo Matériau A forte puissance (kW) le laser peut découper des plaques d’acier de 15 mm d’épaisseur à une vitesse de 20 mètres par minute.

12 Le laser dans l’industrie / Soudure
Faisceau laser Pièces à assembler Sens de soudage Bain de fusion amont Zone affectée thermiquement Bain de fusion aval Métal fondu resolidifié Capillaire Le laser peut aussi amener a fusion un assemblage de deux matériaux et réaliser ainsi la soudure après refroidissement. Celle ci peut être même sans apport de matière comme habituellement en soudure oxyacétylénique permettre de meilleurs assemblages. La soudure par laser peut être réalisée sans apport de matière. vidéo

13 Le laser dans l’industrie / Usinage de précision
Focalisation du laser sur de toutes petites surfaces, Commande précise de la position du spot laser Usinage de très grande précision. 200 µm La possibilité de focaliser sur de toutes petites surfaces, de l’ordre du micromètre et la commande précise de la position du spot laser permet l’usinage de très grande précision. Très récemment, on démontré industriellement que l’utilisation de laser ultra brefs, c’est a dire délivrant des impulsions énergétiques pendant un temps inférieur à la picoseconde ( s), permettent d’enlever de la matière sans avoir le temps de dissiper la chaleur. On parle d’usinage athermique. On est alors capable d’usiner des films d’or de quelques microns d’épaisseur sans les faire fondre!!!! Si la durée de l’impulsion laser est inférieure à la picoseconde (10-12 s), la matière est enlevée sans avoir le temps de dissiper la chaleur. Usinage athermique. Inox Trous 200 mm épaisseur 100 mm Platine Fentes 15 mm épaisseur 15 mm

14 Réseau sous-marin de fibres optiques
Le laser dans les télécommunications Réseau lasers et fibres optiques : 80% des communications à longue distance dans le monde. Réseau sous-marin de fibres optiques Codage : Modulation de diodes laser Problème d’atténuation : Lasers pour amplifier le signal dans des « relais »

15 Lecture et écriture de données
Le laser est envoyé sur la surface du disque et la quantité de lumière réfléchie est mesurée par un détecteur et convertie en «0 » et « 1 ». Ecriture Le laser doit être 10 fois plus puissant que celui d’un lecteur pour « brûler » le colorant. Il n’y a pas de creux mais des zones qui absorbent plus ou moins le laser.

16 Lecture de code barre Le faisceau laser est balayé le long du code barre La quantité de lumière réfléchie est mesurée par un détecteur puis convertie en « 0 » et « 1 ». Barre noire = 1 Barre blanche = 0 Exemple : norme européenne à 8 chiffres Le prix du produit n’est pas inscrit dans le code barre ! Seules les références du produit sont codées.

17 Les applications médicales (1)
Traitement de la myopie: Restructuration de la cornée par laser Équivalent à un usinage Le premier laser est capable de découper la surface de la cornée. Le second laser dans l’ultra violet n’ablate la surface du cristallin??? pour modifier sa surface, donc son pouvoir focalisant. Les applications médicales sont très diverses et dans tous les types d’interactions. A très faible puissance on observe des cas de bio stimulation qui trouvent leur origine dans des récepteurs photosensibles dans le tissu vivant, a plus haute puissance des effets thermiques servent à soulager les douleurs musculaires et a très forte puissance on peut « usiner » la peau avec des lasers: c’est la chirurgie. Les effets cautérisant du lasers associés à l’absence de contact sont particulièrement utile dans les applications médicales. Dans le cas du traitement de la myopie, on utilise des lasers qui resurfacent le cristallin responsable de la netteté de la vision: c’est le LASIK Laser In situ Keratotomie. Les deux lasers ne pénètrent pas dans l’oeil assez loin pour atteindre la rétine mais leur longueur d’onde, fortement absorbée dans les premiers millimètres, permet d’enlever de la matière par des effets d’ablation. Un premier laser est capable de découper la surface de la cornée comme un timbre poste avant que le second laser dans l’ultra violet n’ablate la surface du cristallin pour modifier sa surface, donc son pouvoir focalisant. vidéo

18 Les applications médicales (2)
Traitement du décollement de la rétine Laser vert Soudure par points Le laser vert (visible) est naturellement focalisé par le cristallin au niveau de la rétine. Laser infrarouge Esthétique: Epilation définitive Le cas le plus courant en application médicale et le plus ancien, (seulement 4 ans après la découverte du Laser!!) est le traitement des décollement de la rétine. Sous l’action de la pression artérielle, la rétine a tendance a se décoller et cela déclenche des zones aveugles. Le soi consiste à utiliser un laser VISIBLE, vert en général, qui est naturellement focalisé par le cristallin au niveau de la rétine et peut entrainer une destruction par chauffage et donc une sorte de soudure par point. La zone sacrifiée est rendue la plus minime possible grâce à l’utilisation d’un laser et n’affecte qu’environ quelques microns carrés, taille négligeable par rapport à l’étendue possible d’un décollement. Plusieurs points autour de la zone sont nécessaires pour empêcher le développement de la maladie. Dans le cas de la dermatologie, parmi les nombreuses applications en traitement des angiomes, en elimination des tatouages et autres marques cutanées, l’épilation laser est la plus populaire. Le procédé est basé sur l’absorption sélective du rayonnement proche infrarouge par la mélanine, qui voit sa température s’élever au cours de l’irradiation. Cette longueur d’onde pénètre sous l’épiderme et peut cibler les racines des poils qui sont plus chargées que le reste de la peau en mélanine. Cet élévation de température entraine la destruction thermique du système d’alimentation du poil et prévient ainsi sa repousse; L’épilation est définitive. Le laser est capable d’avoir la selectivité nécessaire pour cibler la mélanine et traverser l’épaisseur de peau. La racine du poil absorbe le rayonnement laser infrarouge qui pénètre sous l’épiderme. Élévation de la température Dégénérescence du poil Mais aussi… Traitement des angiomes, élimination des tatouages, etc…

19 Les applications militaires : fiction ou réalité ?
Le sabre laser de Star Wars n’est pas réaliste car le faisceau laser n’a pas une longueur de propagation limitée et d’autre part ne peut pas être stoppé en heurtant un objet ou un autre faisceau laser. En revanche, le laser est utilisé par l’armée d’une part pour aider à la visée ou pour désigner une cible mais aussi pour détruire des cibles. Il est embarqué sur des chars, des navires mais aussi sur un avion (projet américain).

20 Les spectacles laser Diffusion de lumière fumée eau Scanner
Persistance rétinienne vidéo

21 La mesure de distances On mesure le temps de parcours aller-retour d’une impulsion laser laser cible impulsion détecteur Distance = vitesse x temps LIDAR Distance Terre-Lune = km Précision : 6 mm (20 picosecondes) Temps d’aller-retour : environ 2 secondes

22 La mesure de vitesse On mesure le temps de parcours aller-retour de plusieurs impulsions laser Si le véhicule s’approche, les intervalles entre les impulsions laser se réduisent. Mesure de la vitesse des véhicules sur route 0 à 250 km/h - Précision : 3% Diamètre du faisceau laser (infrarouge) : 35 cm à 100 mètres de distance Portée : 600 m

23 L’imprimante laser Laser+scanner Tambour photosensible Toner
Etape 1 Le tambour photosensible est chargé « - » Etape 2 Le laser supprime la charge « - » aux endroits où il passe Etape 3 Le tambour passe contre la surface chargée du toner (poudre de particules plastiques solides) de charge « - » Les charges « - » du tambour et du toner se repoussent. Mais les particules de toner sont attirée par les endroits du tambour où le laser est passé. Etape 4 Le tambour est mis en contact avec le papier momentanément chargé « + », via une bande de transfert, ce qui transfère les particules de toner sur le papier. Etape 5 Le papier est passé au four pour faire fondre les particules de toner et les fixer. Laser+scanner Tambour photosensible Toner Bande de transfert Feuille de papier Coronaire = four

24 Bientôt sur Mars… Analyse du sol martien par spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS) Une impulsion laser est envoyée sur une roche à plusieurs mètres de distance. La lumière émise lors de l’impact est analysée. Le but est de connaître ainsi la composition du sol martien.

25 Les formations « Photonique » en Aquitaine
Plusieurs parcours de formation… … pour plusieurs métiers. années DOCTORAT Recherche & Développement Privé/Public Doctorats en Physique/ Sciences matériaux /Optique/… 8 5 3 MASTER de Physique Recherche Professionnel Optique/Laser Ingénieur application & procédés LICENCE Licence Pro. Laser, Contrôle et Maintenance Technicien spécialiste Applic. Laser Mention Physique et Ingénieries Mention Physique - Chimie IUT Mesures Physiques Technicien supérieur BAC Scientifique Bac Technologique Et prochainement…

26 ALPhA Route des Lasers Un pôle de compétitivité au service de la filière photonique en Aquitaine Une association au cœur du territoire Un soutien local et national fort Une reconnaissance mondiale Une filière en plein développement Des compétences de pointe…. Sources lasers Lasers à fibres, Lasers haute puissance et lasers haute énergie Métrologie et imagerie, TeraHertz Instrumentation Vision ultrarapide Composants et Matériaux 70 entreprises 8850 emplois Applications Aéronautique et Espace Systèmes embarqués Electronique Biomédical Agro-alimentaire Energie – Environnement – Photovoltaïque Pour des applications en plein essor Aéronautique et Espace Systèmes embarqués Electronique Réalité virtuelle Biomédical Agro-alimentaire Energie – Environnement – Photovoltaïque 600 chercheurs

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