La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Plan général du cours I. Les principes de base du laser I. Les principes.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Plan général du cours I. Les principes de base du laser I. Les principes."— Transcription de la présentation:

1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 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

2 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Plan général du cours I. Applications des lasers continus I. Applications des lasers continus Stockage dinformations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux II.Les lasers à impulsions courtes (nanoseconde) et leurs applications II.Les lasers à impulsions courtes (nanoseconde) et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser Petawatt)

3 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Stockage dinformations 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 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Stockage dinformations CD vs DVD CD vs DVD Le DVD (Digital Versatil Disc) permet de stocker plus dinformation en réduisant la taille des cuvettes unitaires Comment ? En reduisant la longueur donde 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) Lavenir : le Blue Disk Utilisation de diodes lasers BLEUES : capacité augmentées à 27 Go (= 13 h de vidéo compressée)

5 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Stockage dinformations Principe du CD/DVD-R Principe du CD/DVD-R Laser Focalisé chauffe le colorant organique Déformation du substrat plastique = formations de bosses et de trous (0 ou 1) Ecriture du CD-R

6 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Stockage dinformations CD réinscriptibles : CD-RW 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)

7 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 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)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)Aussi : Communications inter-satellites (espace libre)

8 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Télécoms La Fibre Optique La Fibre Optique C

9 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Télécoms Diode laser de faible puissance, à 1.55 µm C

10 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Télécoms Amplificateurs Optiques Amplificateurs Optiques C

11 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Télécoms

12 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Télécoms C

13 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Lutilisation des lasers permet daugmenter la précision et la diversité des mesures : Lutilisation des lasers permet daugmenter la précision et la diversité des mesures : Utilisation du caractère ondulatoire cohérent (interféromètres) = précision meilleure que ! Utilisation du caractère ondulatoire cohérent (interféromètres) = précision meilleure que ! Directivité : le laser permet de matérialiser des lignes parfaitement droites Directivité : le laser permet de matérialiser des lignes parfaitement droites Puissance : mesure sur des grandes distances (ex : mesure distance terre-lune, lidar) Puissance : mesure sur des grandes distances (ex : mesure distance terre-lune, lidar) Mesures Optiques

14 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Mesures Optiques Mesure de la distance Terre-Lune Observatoire de la Côte dAzur, 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 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Mesures Optiques Principe (valable aussi avec les satellites) Principe (valable aussi avec les satellites) laser Nd:YAG doublé en fréquence émettant à 10 Hz : chaque tir est composé d'une impulsion denviron 300 ps. L'énergie par tir est de 400 mJ, soit 200 mJ dans le vert et 200 mJ dans le proche Infrarouge (IR). Diamètre du faisceau sur la lune : 10 km (1.3 km théoriques en corrigeant les perturbations atmosphériques par une optique adaptative haut de gamme…)

16 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Mesures Optiques Le LIDAR (=LIght Detection and Ranging, = RADAR optique) Le LIDAR (=LIght Detection and Ranging, = RADAR optique) Même principe : la mesure du temps daller-retour du laser permet dobtenir la hauteur de la cible visée, et donc de cartographier la zone. Même principe : la mesure du temps daller-retour du laser permet dobtenir la hauteur de la cible visée, et donc de cartographier la zone.

17 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Mesures Optiques Interférométrie, Holographie Interférométrie, Holographie Mesure de déplacements ou de déformation sub microniques Mesure de déplacements ou de déformation sub microniques Possibles grâce à la cohérence des lasers utilisés (Lasers à gaz en général, typiquement He-Ne)) 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 dinterférences 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 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Mesures Optiques 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. Gyrolaser Gyrolaser Mesure de rotations Mesure de rotations Indispensables dans les avions, les satellites, les sous-marins… Indispensables dans les avions, les satellites, les sous-marins… Codes Barres Codes Barres Diodes lasers rouges Diodes lasers rouges Détecte les variations de reflexion entre bandes noires et blanches Détecte les variations de reflexion entre bandes noires et blanches

19 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Shows laser Shows lasers : lasers visibles continus Shows lasers : lasers visibles continus Argon, Krypton, Laser solides + conversion de fréquence… Argon, Krypton, Laser solides + conversion de fréquence…

20 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Traitement des matériaux

21 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Traitement des matériaux

22 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Médecine Chirurgie « esthétique » Chirurgie « esthétique » Les lasers continus sont recherchés pour des traitements nécessitant un chauffage localisé : Laser CO 2 Les lasers continus sont recherchés pour des traitements nécessitant un chauffage localisé : Laser CO 2 AVANTAPRES

23 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Plan général du cours I. Applications des lasers continus I. Applications des lasers continus Stockage dinformations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux II.Les lasers à impulsions courtes (nanoseconde) et leurs applications II.Les lasers à impulsions courtes (nanoseconde) et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser Petawatt)

24 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Applications médicales des lasers déclenchés Ophtalmologie Ophtalmologie LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue). LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue). Utilisation dun Laser Excimère impulsionnel (UV) Utilisation dun Laser Excimère impulsionnel (UV)

25 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Resurfaçage de la cornée assisté par ordinateur (précision 0.25 µm) Applications médicales des lasers déclenchés

26 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Effacement des tatouages Effacement des tatouages Laser adapté au pigment que lon veut retirer Laser adapté au pigment que lon veut retirer Lasers Impulsionnels (Q-switched) Lasers Impulsionnels (Q-switched) Chromophore Bleu/Noir Vert Rouge Orange Alexandrite (755 nm) Nd:YAG (1064 nm) Nd:YAG (532 nm) AVANT APRES Applications médicales des lasers déclenchés

27 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Epilation Laser (quasi-définitive) Epilation Laser (quasi-définitive) Applications médicales des lasers déclenchés

28 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Traitement des matériaux

29 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Traitement des matériaux

30 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Traitement des matériaux Objet obtenu par un phénomène de cavitation (vaporisation très locale du verre au foyer du laser)

31 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Forte Puissance Les programmes NIF (National Ignition Facility ) /Mégajoule Les programmes NIF (National Ignition Facility ) /Mégajoule Objectifs 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 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Forte Puissance Processus : Processus : Approche indirecte Nécessite des lasers de puissances énormes ! Energie nécessaire estimée ~2 MJ pendant 5 ns

33 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Forte Puissance Energie : 1.8 MJ Energie : 1.8 MJ Durée effective : 3-5 ns Durée effective : 3-5 ns Longueur donde : Ultra-Violet Longueur donde : Ultra-Violet Uniformité : mieux que 1 % sur la cible Uniformité : mieux que 1 % sur la cible Laser solide (verre dopé Nd,, pompé par lampes Laser solide (verre dopé Nd, 1053 nm, pompé par lampes Conversion de fréquence 3 Conversion de fréquence (192) faisceaux de 40 x 40 cm² au LMJ (NIF, resp.) 240 (192) faisceaux de 40 x 40 cm² au LMJ (NIF, resp.) Objectifs Solution Laser megajoule (en construction à Bordeaux) / National Ignition Facility (en construction au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie)

34 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Principe Une des lignes du NIF : Principe : le faisceau est amplifié par étapes successives avec augmentation de sa taille (jusquà 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) film

35 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Tout est démesure… Milieu amplificateur (verre dopé néodyme) Flashs pour le pompage des verres dopés Cellule de Pockels Chambre dexpérience Cristaux non- linéaires

36 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Forte Puissance Les amplis et le transport des faisceaux : Les amplis et le transport des faisceaux :

37 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Forte Puissance La chambre dexpérience La chambre dexpérience Projet Megajoule

38 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Plan général du cours I. Applications des lasers continus I. Applications des lasers continus Stockage dinformations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux II.Les lasers à impulsions courtes (nanoseconde) et leurs applications II.Les lasers à impulsions courtes (nanoseconde) et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser Petawatt)

39 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 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

40 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Traitement des matériaux Usinage AthermiqueUsinage Athermique Impulsions fs (ultra brèves)Impulsions fs (ultra brèves) Champ éléctrique très élevéChamp éléctrique très élevé Arrachement des électrons des couches externesArrachement des électrons des couches externes Création dions positifs qui se repoussentCréation dions positifs qui se repoussent Ejection de matière sans échauffementEjection de matière sans échauffement

41 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Traitement des matériaux Usinage AthermiqueUsinage Athermique Impulsions fs (ultra brèves)Impulsions fs (ultra brèves) Champ éléctrique très élevéChamp éléctrique très élevé Arrachement des électrons des couches externesArrachement des électrons des couches externes Création dions positifs qui se repoussentCréation dions positifs qui se repoussent Ejection de matière sans échauffementEjection de matière sans échauffement

42 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Laser fs en médecine Alternative au LASIK : le laser femtoseconde Alternative au LASIK : le laser femtoseconde

43 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Chaîne femtoseconde Intérêt majeur des impulsions fs : P crête très élevée car lénergie 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 x MW Solution : Chirped Pulse Amplification (amplification dimpulsions étalées spectralement) = tirer parti du fait que limpulsion a un spectre large

44 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Principe CPA (ns) (fs) Laser Ti-Sa faible puissance

45 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Lasers ultra-Intenses Ex : Chaîne Ti-Sa (Japon, 2003) 0.85 PW (850 trillions de Watts…), 33 fs La chaine 100 TW du LULI 1 PetaWatt = W

46 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 La physique de lextrême… Fast ignition : coupler un laser Petawatt (fs) avec un laser megajoule (ns) pour accélérer la fusion thermonucléaire 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 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

47 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 La physique de lextrême…

48 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Conclusion À méditer : Nous avons lhabitude davoir 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 détat à la recherche, chercheur et membre de lacadémie des sciences, peu après 1960 (date de linvention du laser)

49 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5


Télécharger ppt "Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Séance 5 Plan général du cours I. Les principes de base du laser I. Les principes."

Présentations similaires


Annonces Google