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Les LASERS et leurs applications Sébastien FORGET Maître de conférences Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris-Nord.

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1 Les LASERS et leurs applications Sébastien FORGET Maître de conférences Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris-Nord

2 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Plan général du cours I. Les principes de base du laser I. Les principes de base du laser Les sources de lumières Les sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnement Principe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturation Les équation heuristiques et la saturation II. Fonctionnement des lasers II. Fonctionnement des lasers 3 ou 4 niveaux 3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquence Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquence III. Les différents types de fonctionnement III. Les différents types de fonctionnement Continu Continu Impulsionnel déclenché Impulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modes Impulsionnel à verrouillage de modes IV. Les différents lasers et leurs applications IV. Les différents lasers et leurs applications Liquides Liquides Gazeux Gazeux Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) Quelques notions dOptique non-lineaire Quelques notions dOptique non-lineaire Exemples dapplications Exemples dapplications

3 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Plan général du cours I. Les principes de base du laser I. Les principes de base du laser Les sources de lumières Les sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnement Principe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturation Les équation heuristiques et la saturation II. Fonctionnement des lasers II. Fonctionnement des lasers 3 ou 4 niveaux 3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquence Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquence III. Les différents types de fonctionnement III. Les différents types de fonctionnement Continu Continu Impulsionnel déclenché Impulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modes Impulsionnel à verrouillage de modes IV. Les différents lasers et leurs applications IV. Les différents lasers et leurs applications Liquides Liquides Gazeux Gazeux Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) Quelques notions dOptique non-lineaire Quelques notions dOptique non-lineaire Exemples dapplications Exemples dapplications

4 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 I. Les principes de base du laser A. Les sources de Lumière Introduction B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation 1.Sources thermiques 2.Sources « luminescentes » 3.Lasers

5 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 introduction Quest ce que la lumière ? Quest ce que la lumière ?

6 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Une onde le plus souvent Une onde le plus souvent introduction Lambda=c.T Polarisation Phase Energie E = h.v

7 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 introduction Longueur donde (µm) µm mm1 m1 cm10 cm1 nm 100 nm Gamma XUVVisibleInfrarouge Micro-onde Hyperfréquences Radio Fréquence (x3 Hz) ExaHzTeraHzGigaHz PetaHz 100 µm

8 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 I. Les principes de base du laser A. Les sources de Lumière Introduction B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation 1.Sources thermiques 2.Sources « luminescentes » 3.Lasers

9 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Les sources thermiques Emission consécutive à un chauffage Emission consécutive à un chauffage Emission de type « corps noir » Emission de type « corps noir » Soleil Soleil Lampes à incandescence (ampoules) Lampes à incandescence (ampoules) Halogènes Halogènes

10 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Le corps noir Définition : cest un corps théorique qui absorbe tous les rayonnements quil reçoit. Toute lénergie thermique ainsi emmagasinée est restituée à lextérieur sous forme de rayonnement, donc dondes électromagnétiques. Définition : cest un corps théorique qui absorbe tous les rayonnements quil reçoit. Toute lénergie thermique ainsi emmagasinée est restituée à lextérieur sous forme de rayonnement, donc dondes électromagnétiques. Remarque : le corps noir tel quil est décrit dans la définition est un objet théorique qui nexiste pas. Cependant on peut sen approcher (par exemple un morceau daluminium peint en noir mat, ou un trou dans une « boite noire », est un corps noir acceptable). Remarque : le corps noir tel quil est décrit dans la définition est un objet théorique qui nexiste pas. Cependant on peut sen approcher (par exemple un morceau daluminium peint en noir mat, ou un trou dans une « boite noire », est un corps noir acceptable).

11 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 La loi de Planck Historique : début XXème siècle… Historique : début XXème siècle… La loi du corps noir est mal décrite par la théorie : La loi du corps noir est mal décrite par la théorie : Loi de Wien : marche bien pour λ courtes Loi de Wien : marche bien pour λ courtes Loi de Rayleigh-jeans : OK pour λ longues Loi de Rayleigh-jeans : OK pour λ longues « Catastrophe UV »

12 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 La loi de Planck Révolution : Planck introduit le principe des « quanta » ! : Révolution : Planck introduit le principe des « quanta » ! :

13 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Loi de déplacement de Wien λ max.T = Constante = 2898 ~ 3000 λ max.T = Constante = 2898 ~ 3000 Avec T = temperature, en Kelvins (Rappel : T(°C) = T(K) )) (Rappel : T(°C) = T(K) )) Et λ max = longueur donde correspondant au max. de la courbe Ex : T=2500 K donne λ max = 2898/2500 = 1.16 µm

14 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Courbes Corps Noir

15 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Courbes Corps Noir

16 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 T=6000 K (soleil) T=10000 K T=3400 K T=1600 K Emission du corps noir à différentes températures (normalisée)

17 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Les sources thermiques La lampe à incandescence

18 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Les sources thermiques Ampoules classiques sous vide : on chauffe un filament de tungstène (W)sous vide jusqu'à environ 2500 K (on ne peut pas chauffer beaucoup plus car le tungstène fond). max = 1,14 microns. durée de vie = 1000 heures environ

19 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Les sources thermiques Ampoules à atmosphère : On place le filament de tungstène non plus sous vide mais dans une atmosphère de krypton (ou de mélange azote – argon) qui permet de réduire la vitesse dévaporation du tungstène. Durée de vie de lampoule plus longue OU durée de vie = 1000 h mais à plus haute Temperature (2830 K) : soit max = 1 micron

20 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Caractéristiques Caractéristiques Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission polychromatique (grande largeur spectrale) Emission polychromatique (grande largeur spectrale) Les sources thermiques

21 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 I. Les principes de base du laser A. Les sources de Lumière Introduction B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation 1.Sources thermiques 2.Sources « luminescentes » 3.Lasers

22 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Emission « atomique » Emission « atomique » Les caractéristiques du rayonnement ne peuvent être comprises quen descendant à léchelle de latome ! Les caractéristiques du rayonnement ne peuvent être comprises quen descendant à léchelle de latome ! Les sources luminescentes

23 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Principe Modèle de latome de Bohr Modèle de latome de Bohr Énergie E0E0 E1E1 E2E2 E3E3 En…En…

24 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Absorption/Émission Passage entre les niveaux dénergie par absorption/émission de lumière : Passage entre les niveaux dénergie par absorption/émission de lumière : Temps caractéristique = durée de vie du niveau =

25 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Absorption E EfEf EeEe h E EfEf EeEe Etat « excité » Etat « fondamental » Excitation peut provenir de labsorption de photons (ci contre) De chocs avec les électrons (excitation électrique)

26 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Émission E EfEf EeEe h E EfEf EeEe Etat « excité » Etat « fondamental » Lénergie du photon émis par luminescence entre les deux niveaux dénergie E1 et E2 est hυ = E2 – E1 = ΔE Où ΔE est la valeur du « saut » d'énergie (en joules) υ est la fréquence de l'onde émise (en hertz), sa longueur d'onde vaut alors λ = c / υ h est la constante de Planck et vaut 6, J.s

27 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Émission Plusieurs fréquences peuvent être émises car il existe de nombreux niveaux !!!

28 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le néon (Ne) émet essentiellement dans le rouge

29 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le Sodium (Na) émet essentiellement dans le jaune-orangé Haute Pression Basse Pression

30 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le Mercure (Hg) émet essentiellement dans le blanc bleuté À basse pression : + dUV Médecine, bronzage, « lumière noire »

31 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Applications Les lampes à fluorescence Excitation lumineuse Le « tube fluorescent »

32 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Applications Le « tube fluorescent » Sans poudre fluorescente

33 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Caractéristiques Caractéristiques Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission polychromatique (grande largeur spectrale) ou quasi – monochromatique (raies) Emission polychromatique (grande largeur spectrale) ou quasi – monochromatique (raies) Les sources luminescentes

34 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 I. Les principes de base du laser A. Les sources de Lumière Introduction B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation 1.Sources thermiques 2.Sources « luminescentes » 3.Lasers

35 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Caractéristiques Caractéristiques Emission directionnelle Emission directionnelle Emission cohérente (relation de phase) Emission cohérente (relation de phase) Emission quasi – monochromatique Emission quasi – monochromatique Les Lasers

36 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 I. Les principes de base du laser A. Les sources de Lumière Introduction B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation 1.Sources thermiques 2.Sources « luminescentes » 3.Lasers

37 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Directivité Laser = concentré spatial de lumière Laser = concentré spatial de lumière Divergence faible (mais non nulle) Divergence faible (mais non nulle) Densité de puissance élevée Densité de puissance élevée Possibilité de focaliser sur de très petites surfaces ( environ lambda²) Possibilité de focaliser sur de très petites surfaces ( environ lambda²) Conséquence de cette concentration dans lespace : Conséquence de cette concentration dans lespace : Densités de Puissance énormes ! Ordre de grandeur : laser 10 W à λ = 500 nm (vert) : densité de puissance max (=Puissance/surface) = 10/(0, )² = 4 GW/cm 2

38 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Monochromaticité Laser = concentré spectral de lumière Laser = concentré spectral de lumière Ou presque… (plus de détails plus tard !) Ou presque… (plus de détails plus tard !) Mais pas toujours… Mais pas toujours… Largeur de raie très faible : autour de 1 MHz Largeur de raie très faible : autour de 1 MHz De plus, les ondes emises sont en phase entre elles : il est possible de faire des interférences

39 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Puissance Pas forcement plus quune grosse lampe (10 à 100 W en continu), mais concentré spatialement et spectralement Pas forcement plus quune grosse lampe (10 à 100 W en continu), mais concentré spatialement et spectralement Souvent aussi : concentré temporellement (impulsions très courtes, ns à fs) Souvent aussi : concentré temporellement (impulsions très courtes, ns à fs)

40 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Résumé Ampoule classique Polychromatique Isotrope Incohérente Laser Monochromatique Directive Cohérente

41 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Sécurité Laser Crucial en raison des spécificités du laser Crucial en raison des spécificités du laser

42 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Sécurité Laser

43 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1

44 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1

45 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1

46 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1

47 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 La norme appliquée en Europe est la norme européenne NF EN /A2 « sécurité des appareils à laser, classification des matériels, prescription et guide de l'utilisateur ». Cette norme est à la base des programmes de mise en application de la sécurité laser en industrie, médecine et en recherche. La norme NF EN /A2 pour la sécurité des appareils à laser fournit des informations sur le classement des lasers pour la sécurité, les calculs de sécurité laser, les mesures de contrôle des risques, des recommandations pour les responsables sécurité laser et pour les comités d'hygiène et sécurité des entreprises. Tous les produits laser vendus en Europe doivent répondre à cette norme et comporter le marquage CE. Sécurité Laser

48 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Les EMP représentent le niveau maximal de rayonnement laser auquel les personnes peuvent être exposées sans subir de dommage immédiat ou à long terme. Cette exposition maximale permise est établie à partir des valeurs limites de densité d'énergie ou de puissance surfacique à admettre au niveau de la cornée et de la peau. Ces valeurs ont été obtenues en extrapolant à l'homme, les résultats d'EMP obtenus sur des animaux. Ainsi, les niveaux d'EMP ont été calculés en fonction de la longueur d'onde du rayonnement, de la durée d'impulsion ou du temps d'exposition du tissu soumis au rayonnement (peau ou oeil) et de la dimension de l'image de l'objet sur la rétine. Dans le tableau, quelques niveaux EMP sont résumés. Sécurité Laser

49 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Pour loeil

50 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Pour la peau

51 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Les classes de laser

52 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Lorsque l'on travaille sur un laser de classe supérieure à 1, il faut obligatoirement : Avoir la maitrise du faisceau laser, de la source au détecteur. C'est à dire : Que tout objet réfléchissant et partiellement réfléchissant doit être solidement fixé De connaître parfaitement son expérience et ainsi localiser parfaitement le trajet du faisceau laser lors de sa propagation. Cette connaissance permet en même temps de repérer les réflexions parasites et de les bloquer (En utilisant des bloqueurs absorbants et non réfléchissants). De bloquer le faisceau, il faut au maximum éviter les réflexions diffuses en utilisant par exemple un morceau de carton pour bloquer le faisceau laser puissant. Que l'expérimentateur prennent ses précautions. C'est à dire : Qu'il doit régler son expérience à faible puissance Qu'il ne doit jamais mettre ses yeux dans l'axe de propagation des faisceaux laser De toujours travailler nu de tout objet réflechissant tel qu'une montre, un bracelet, une alliance... De toujours travailler dans une pièce minimalement éclairée pour ne jamais avoir sa pupille totalement ouverte. Et bien sur de toujours porter ses lunettes de protection adaptées dès que le risque existe.ESSENTIEL

53 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Les locaux

54 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Les locaux

55 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1

56 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1

57 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1

58 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 1 Exemple Laser CW Argon (lambda = 514 nm) de puissance 1W et de diamètre 1 mm Laser CW Argon (lambda = 514 nm) de puissance 1W et de diamètre 1 mm Classe du laser ? Classe du laser ? EMP pour lœil ? Pour la peau ? EMP pour lœil ? Pour la peau ? Est on en danger en regardant directement le faisceau ? Et pour un impact sur la peau ? Est on en danger en regardant directement le faisceau ? Et pour un impact sur la peau ? On dispose de lunettes de densités optiques (DO) à 514 nm valant 3, 4 et 6. Lesquelles permettent de proteger les yeux ? On dispose de lunettes de densités optiques (DO) à 514 nm valant 3, 4 et 6. Lesquelles permettent de proteger les yeux ? (definition : T = 10 -DO ) (definition : T = 10 -DO )


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