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

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

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

I . Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière Sources thermiques Sources « luminescentes » Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation

introduction Qu’est ce que la lumière ?

introduction Une onde le plus souvent Lambda=c.T Polarisation Phase Energie E = h.v

introduction Longueur d’onde (µm) 10-4 10-3 10-2 10-1 1µm 10 102 103 104 105 106 1 mm 1 m 1 cm 10 cm 1 nm 100 nm Gamma X UV Visible Infrarouge Micro-onde Hyperfréquences Radio Fréquence (x3 Hz) ExaHz TeraHz GigaHz 1018 1017 1016 1015 1013 1012 1011 1010 109 108 1014 PetaHz 100 µm

I . Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière Sources thermiques Sources « luminescentes » Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation

Les sources thermiques Emission consécutive à un chauffage Emission de type « corps noir » Soleil Lampes à incandescence (ampoules) Halogènes

Le corps noir Définition : c’est un corps théorique qui absorbe tous les rayonnements qu’il reçoit. Toute l’énergie thermique ainsi emmagasinée est restituée à l’extérieur sous forme de rayonnement, donc d’ondes électromagnétiques. Remarque : le corps noir tel qu’il est décrit dans la définition est un objet théorique qui n’existe pas. Cependant on peut s’en approcher (par exemple un morceau d’aluminium peint en noir mat, ou un trou dans une « boite noire », est un corps noir acceptable).

La loi de Planck Historique : début XXème siècle… La loi du corps noir est mal décrite par la théorie : Loi de Wien : marche bien pour λ courtes Loi de Rayleigh-jeans : OK pour λ longues « Catastrophe UV »

La loi de Planck Révolution : Planck introduit le principe des « quanta » ! :

Loi de déplacement de Wien λmax.T = Constante = 2898 ~ 3000 Avec T = temperature, en Kelvins (Rappel : T(°C) = T(K)-273.15)) Et λmax = longueur d’onde correspondant au max. de la courbe Ex : T=2500 K donne λmax = 2898/2500 = 1.16 µm

Courbes Corps Noir

Courbes Corps Noir

Emission du corps noir à différentes températures (normalisée) T=3400 K T=1600 K T=6000 K (soleil) T=10000 K

Les sources thermiques La lampe à incandescence

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

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 d’évaporation du tungstène. Durée de vie de l’ampoule plus longue OU durée de vie = 1000 h mais à plus haute Temperature (2830 K) : soit max = 1 micron 

Les sources thermiques Caractéristiques Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission polychromatique (grande largeur spectrale)

I . Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière Sources thermiques Sources « luminescentes » Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation

Les sources luminescentes Emission « atomique » Les caractéristiques du rayonnement ne peuvent être comprises qu’en descendant à l’échelle de l’atome !

Principe Modèle de l’atome de Bohr Énergie En … E3 E2 E1 E0

Absorption/Émission Passage entre les niveaux d’énergie par absorption/émission de lumière : Temps caractéristique = durée de vie du niveau = 

Absorption Etat « fondamental » Etat « excité » Ee h E Ef Etat « fondamental » Excitation peut provenir de l’absorption de photons (ci contre) De chocs avec les électrons (excitation électrique) Ee E Ef Etat « excité »

Émission Etat « excité » Etat « fondamental » Ee E Ef Etat « excité » L’énergie du photon émis par luminescence entre les deux niveaux d’énergie 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 6,64 10 -34 J.s Ee E h Ef Etat « fondamental »

Émission Plusieurs fréquences peuvent être émises car il existe de nombreux niveaux !!!

Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le néon (Ne) émet essentiellement dans le rouge

Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le Sodium (Na) émet essentiellement dans le jaune-orangé Basse Pression Haute Pression

Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le Mercure (Hg) émet essentiellement dans le blanc bleuté À basse pression : + d’UV Médecine, bronzage, « lumière noire »

Les lampes à fluorescence Applications Les lampes à fluorescence Excitation lumineuse Le « tube fluorescent »

Sans poudre fluorescente Applications Le « tube fluorescent » Sans poudre fluorescente

Les sources luminescentes Caractéristiques Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission polychromatique (grande largeur spectrale) ou quasi – monochromatique (raies)

I . Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière Sources thermiques Sources « luminescentes » Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation

Les Lasers Caractéristiques Emission directionnelle Emission cohérente (relation de phase) Emission quasi – monochromatique

I . Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière Sources thermiques Sources « luminescentes » Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation

Directivité Laser = concentré spatial de lumière Divergence faible (mais non nulle) Densité de puissance élevée Possibilité de focaliser sur de très petites surfaces ( environ lambda²) → Conséquence de cette concentration dans l’espace : Densités de Puissance énormes ! Ordre de grandeur : laser 10 W à λ = 500 nm (vert) : densité de puissance max (=Puissance/surface) = 10/(0,5.10-6)² = 4 GW/cm2

Monochromaticité Laser = concentré spectral de lumière Ou presque… (plus de détails plus tard !) Mais pas toujours… 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

Puissance Pas forcement plus qu’une grosse lampe (10 à 100 W en continu), mais concentré spatialement et spectralement Souvent aussi : concentré temporellement (impulsions très courtes, ns à fs)

Résumé Laser Ampoule classique Polychromatique Isotrope Incohérente Monochromatique Directive Cohérente Ampoule classique Polychromatique Isotrope Incohérente

Sécurité Laser Crucial en raison des spécificités du laser

Sécurité Laser

Sécurité Laser La norme appliquée en Europe est la norme européenne NF EN 60825-1/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 60825-1/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 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.

Pour l’oeil

Pour la peau

Les classes de laser

ESSENTIEL 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.

Les locaux

Les locaux

Exemple Laser CW Argon (lambda = 514 nm) de puissance 1W et de diamètre 1 mm Classe du laser ? EMP pour l’œil ? Pour 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 ? (definition : T = 10-DO)