Le Lycée Montaigne,l’Aquitaine et la mutation historique

des technologies optiques

Professeur André Ducasse

Directeur Général de l’Institut d’Optique

Directeur de l’École Supérieure d’Optique

Une mutation technologique en marche

• La découverte des lasers et la révolution optique

• Des précurseurs de cette découverte : Charles Fabry, Alfred Kastler et le Lycée Montaigne 

• L’Université Bordeaux I : un Centre important de développement des lasers et de leurs applications

• Le programme Laser MégaJoule au CEA/DAM en Le programme Laser MégaJoule au CEA/DAM en Aquitaine : une extraordinaire opportunité Aquitaine : une extraordinaire opportunité économique et scientifique pour la Régionéconomique et scientifique pour la Région

Plan de l’exposé

• Le laser dans l’histoire des technologies optiquesLe laser dans l’histoire des technologies optiques

• Charles Fabry : un précurseur pour les cavités optiques lasers

• Alfred Kastler : un précurseur pour les milieux amplificateurs lasers

• L’explosion du champ d’applications des technologies lasers

• Les opportunités pour le développement d’un pôle Les opportunités pour le développement d’un pôle optique fort en Aquitaineoptique fort en Aquitaine

L’optique, c’est

la science et l’ingénierie de l’émission, la manipulation, la transmission et la détection de

lumière, donc de photons («photonique»)

émission

manipulationtransmission

détection

photon

L’évolution des technologies optiques

• Une utilisation très ancienne de « composants » optiques : les miroirs d’Archimède (212 av. J.C.)

• Le 17ème siècle : un âge d’or pour les technologies

• la découverte des microscopes optiques : la découverte des microscopes optiques : Loeuvenbrook ou Zacharias Jansen (1590)Loeuvenbrook ou Zacharias Jansen (1590)

• la lunette de Galilée et l’observation des planètes (1609)

• les débuts de la spectroscopie : la décomposition des couleurs par un prisme : Newton (1666)

• La spectroscopie et la découverte du monde microscopique : fin 19ème-début 20ème s.

– Spectroscopie et structure atomique : Balmer, Rutherford, Bohr

– Le développement d’interféromètres performants : Michelson, Fabry

• Une révolution en optique : la découverte des lasers (1958) : Townes-Schawlow, Basov-Prokhorov

• Un vecteur essentiel pour le transport de la Un vecteur essentiel pour le transport de la lumière : les fibres optiques : Kao (1966) Bell Labslumière : les fibres optiques : Kao (1966) Bell Labs

Le LaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation

L’invention en 1958 : Townes-Schawlow, Basov-ProkhorovLes premiers lasers : 1960 Maiman, JavanLes premiers lasers : 1960 Maiman, Javan1980 : l’extension des applications hors laboratoires le développement du transport par fibre optique1990 : la prise de conscience d’un véritable phénomène de société

un oscillateur du domaine optique

Une rupture technologique majeure pour la Physique

Énergie

Amplificateur

E1 E2 > E1Faisceaude sortie

Ensemble de 2 miroirs résonateur linéaireLaser linéaire

Amplificateur + résonateur linéaire

Fonctionnement multimode du laser• Modes résonnants de la cavité (ou résonateur)

• Milieu amplificateur

• Laser

Les processus interaction onde-matière

E1

E2

hν

AbsorptionE2-E1 = hν

Émissionspontanée

Émissionstimulée(Einstein)

photonsjumeaux

Milieux amplificateurs

E1

E2

N1

N2

N2>N1

Milieu amplificateur

E1

E2

N1

N2

N2<N1

Milieu absorbant

Charles Fabry (1867-1945) et les cavités optiques

L’interaction de Charles Fabry avec Raymond Boulouch

au Lycée Montaigne à Bordeaux ( quelques mois en

1892) : les franges fines d’un coin d’air entre lames

réfléchissantes

D’autres précurseurs sur ces franges : Herrschel, AiryD’autres précurseurs sur ces franges : Herrschel, Airy

le passage d’interférences à deux ondes à des le passage d’interférences à deux ondes à des

interférences multi-ondesinterférences multi-ondes

L’exploitation par Fabry et l’interféromètre Fabry-Perot

L’énorme champ d’applications de l’interféromètre en métrologie, spectroscopie

Une extension proposée par Pierre Connes : le Fabry-Perot sphérique

Une utilisation non prévue : le stockage d’énergie entre les miroirs la cavité optique de laser

Charles Fabry premier Directeur Général de Charles Fabry premier Directeur Général de l’Institut d’Optique (1921-1941)l’Institut d’Optique (1921-1941)

Alfred Kastler et le pompage optique 1902-1984

Prix Nobel 1966

1926-1931 : professeur lycée Mulhouse, Colmar, Montaigne à Bordeaux

1931-1936 : assistant de Pierre Daure, Université de Bordeauxpréparation de la thèse (polarisation de la lumière de fluorescence ..)

1936-1938 : Maître de Conférences à Clermont-1936-1938 : Maître de Conférences à Clermont-FerrandFerrand

1938-1941 : Professeur Université de Bordeaux

Appelé par Georges Bruhat à l’Ecole Normale Supérieure

Création avec Jean Brossel du Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne (actuellement laboratoire Kastler-Brossel)

Naissance d’une véritable école : interaction onde-atomes

Un des élèves : Claude Cohen-Tannoudji, Prix Un des élèves : Claude Cohen-Tannoudji, Prix Nobel 1995Nobel 1995

La conservation du moment cinétique dans l’interaction onde-atomes : les méthodes de double résonance optique-hyperfréquence et de pompage optique

Pompage optique et transfert de moment cinétique

E1

E2

-1/2

-1/2

+1/2

+1/2

Relaxation

Inversion de population dans la structure du niveau 1

Les nouvelles technologies de l’Optique dans le contexte économique du 21ème siècle

• Les besoins d’une nouvelle société des Sciences et Techniques de l’Informationet de la Communication

• Les solutions optiques au secours des limitations actuelles– L’explosion des télécommunications optiques– Le développement d’une bio-photonique– Des densités de puissance et d’énergie considérables

avec les lasers femtosecondes : de nouvelles applications médicales et en mécanique des lasers

• L’Optique : un moyen de motiver nos jeunes générations pour les sciences ?

Les enjeux économiques de l’Optique

• Un marché mondial en pleine expansion– Composants électroniques : 130 G$ décroissance de 8%

par an– Composants optiques et électro-optiques : 30 G$ Composants optiques et électro-optiques : 30 G$

croissance de 10% par ancroissance de 10% par an

• Des domaines en pleine ébullition• Loi de Moore de l’électronique des années 60

dépassée en télécommunications optiques :– Doublement de capacité nécessaire

tous les ans– Des start-up avec des croissances extraordinaires

• Un verrou prévisible : les moyens humains disponibles– La nécessité de former un beaucoup plus grand nombre La nécessité de former un beaucoup plus grand nombre

d’ingénieurs et de techniciens en optiqued’ingénieurs et de techniciens en optique

Développement de l’optique dans le monde

Exemple : ventes mondiales optoélectronique

0

20

40

60

80

100

1992 1997 2001

milli

ards

d'e

uros

G

€

écrans plats

disques optiquesfibres optiques

sources détecteursémetteurs

divers

L’optique :un secteur économique en pleine expansion

Grands domaines d’application de l’optique

Disques Internet

Imageriemédicale

Testsbiologiques

GuidageTélé-

détection

VisionindustrielleMétrologie

Technologies de l’Information

& Communication

Santé &sciences de la vie

Aéronautiquespatial & défense

Optique pour laproduction industrielle

Usinageslaser

Exemple 1 : les télécoms optiques...

Liaison

«multicolore»

(information

multiplexée en

)

débit d’information par fibre équivalent à

+ de 50 millions de conversation

téléphoniques simultanées

soit + de 100 canaux à 10 Gb/s 1 Tb/s sur + de 1000

km

AM

AM

AM

AM

AM

AM

AM

AM

MU

LTIP

LEX

EU

R

DE

MU

LTIP

LEX

EU

R

LASERS MODULATEURS

DONNEES

x100 km fibre

amplis optiques

G G

MODULES DERECEPTION

DONNEES

Exemple 1 : ...les télécoms optiques

Composants et fonctions optiques :diodes laser, modulateurs, filtres optiques (mux/demux), routeurs en , fibres, amplificateurs optiques, régénérateurs, détecteurs…

De la «puce» optique…au composant industriel fibré

L’Aquitaine et la mutation optiqueL’optique à l’Université Bordeaux I

Le développement d’une “ optique moléculaire ” (Auguste Rousset)

La création d’un pôle laser dans le Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne (CPMOH)

La création d’un CEntre Laser Intense et La création d’un CEntre Laser Intense et Applications (CELIA)Applications (CELIA)

240 impulsions ns d’environ 8 kJ pour exciter une bille de l’ordre du 1/10 mm contenant D+T

La Ligne d’Intégration Laser : 1/30 du LMJ, opérationnelle 2002-2003

Mise en œuvre complète du LMJ : vers 2010

Objectif : remplacement des essais nucléaires Objectif : remplacement des essais nucléaires + une + une piste importante pour les sources d’énergie du futurpiste importante pour les sources d’énergie du futur

La création en cours d’un Institut Laser Plasma national

L’Aquitaine : un pôle optique important

Le programme Laser MégaJoule au CESTA/CEA

Schéma d ’une cible d’attaque indirecte

• L’optique : le démarrage d ’un extraordinaire développement

• L’optique : une grande ouverture sur les autres disciplines

– technologiquestechnologiques

– fondamentalesfondamentales

• Un domaine de choix pour les jeunes entrepreneurs

• Des débouchés d’une grande diversité dans l’industrie et la recherche

Conclusion