Plan général du cours I . Les principes de base du laser

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

2 Plan général du cours I. Applications des lasers continus
Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux II. Les lasers à impulsions “courtes” (nanoseconde) et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”)

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

4 Stockage d’informations
CD vs DVD 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  ² (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” Utilisation de diodes lasers BLEUES : capacité augmentées à 27 Go (= 13 h de vidéo compressée)

5 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”)

6 Stockage d’informations
CD réinscriptibles : CD-RW Alliage (AgInSbTe) 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

7 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)

8 Télécoms C La Fibre Optique

9 Télécoms C Diode laser de faible puissance, à 1.55 µm

10 Télécoms C Amplificateurs Optiques

11 Télécoms

12 Télécoms C

13 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  ! Directivité : le laser permet de matérialiser des lignes parfaitement droites Puissance : mesure sur des grandes distances (ex : mesure distance terre-lune, lidar)

14 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.

15 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…) 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).

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

17 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))                                   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.

18 Mesures Optiques Gyrolaser Codes Barres Mesure de rotations
Indispensables dans les avions, les satellites, les sous-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

19 Shows laser Shows lasers : lasers visibles continus
Argon, Krypton, Laser solides + conversion de fréquence…

20 Traitement des matériaux

21 Traitement des matériaux

22 Médecine Chirurgie « esthétique » AVANT APRES
Les lasers continus sont recherchés pour des traitements nécessitant un chauffage localisé : Laser CO2 AVANT APRES

23 Plan général du cours I. Applications des lasers continus
Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux II. Les lasers à impulsions “courtes” (nanoseconde) et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”)

24 Applications médicales des lasers déclenchés
Ophtalmologie LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue). Utilisation d’un Laser Excimère impulsionnel (UV)

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

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

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

28 Traitement des matériaux

29 Traitement des matériaux

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

31 Forte Puissance Les programmes NIF (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

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

33 Forte Puissance Energie : 1.8 MJ Durée effective : 3-5 ns
Laser megajoule (en construction à Bordeaux) / National Ignition Facility (en construction au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie) Energie : 1.8 MJ Durée effective : 3-5 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 3 240 (192) faisceaux de 40 x 40 cm² au LMJ (NIF, resp.) Objectifs Solution

34 Principe Une des lignes du NIF :
film 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 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)

35 Tout est démesure… Cristaux non-linéaires
Milieu amplificateur (verre dopé néodyme) Flashs pour le pompage des verres dopés Chambre d’expérience Cellule de Pockels

36 Forte Puissance Les amplis et le transport des faisceaux :

37 Forte Puissance La chambre d’expérience Projet Megajoule                                                                                        

38 Plan général du cours I. Applications des lasers continus
Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux II. Les lasers à impulsions “courtes” (nanoseconde) et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”)

39 Impulsions femtosecondes
Interêts : Etude de phénomènes ultrarapides (ex: dynamique des protéïnes Physique des hautes intensités (Pcrête=E/durée) Génération de nouvelles fréquences (effets non linéaires importants) Génération de Continuum Projet Teramobile

40 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

41 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

42 Laser fs en médecine Alternative au LASIK : le laser femtoseconde

43 Chaîne femtoseconde Intérêt majeur des impulsions fs : Pcrête 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 !!! 1 MW Ampli x100 100 MW Solution : “Chirped Pulse Amplification” (amplification d’impulsions étalées spectralement) = tirer parti du fait que l’impulsion a un spectre large

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

45 Lasers ultra-Intenses
Ex : Chaîne Ti-Sa (Japon, 2003) 0.85 PW (850 trillions de Watts…), 33 fs 1 PetaWatt = 1015 W La chaine 100 TW du LULI

46 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 ~1021 W/cm² : simulation des conditions extrêmes régnant au coeur des étoiles

47 La physique de l’extrême…

48 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)

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