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

Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris NordSébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Séance 5

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

Les sources de lumièresLes sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laserLes caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnementPrincipe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturationLes équation heuristiques et la saturation

II . Fonctionnement des lasersII . Fonctionnement des lasers 3 ou 4 niveaux3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiensCavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquenceCondition sur le gain et les pertes, sur la fréquence

III . Les différents types de fonctionnementIII . Les différents types de fonctionnement ContinuContinu Impulsionnel déclenchéImpulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modesImpulsionnel à verrouillage de modes

IV. Les différents lasers et leurs IV. Les différents lasers et leurs applicationsapplications

LiquidesLiquidesGazeuxGazeuxSolides (cristallin / semiconducteurs / fibres)Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres)Quelques notions d’Optique non-lineaireQuelques notions d’Optique non-lineaireExemples d’applicationsExemples d’applications


Séance 5

Plan général du coursPlan général du cours

I. Applications des lasers continusI. Applications des lasers continus Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux

II.II. Les lasers à impulsions “courtes” Les lasers à impulsions “courtes” (nanoseconde) et leurs applications(nanoseconde) et leurs applications

Exemple du Laser MegaJoule (CEA)

III. Les lasers à impulsions ultracourtes III. Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs)(ps, fs)

Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”)


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Stockage d’informationsStockage 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.


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Stockage d’informationsStockage d’informations

CD vs DVDCD vs DVDLe DVD (Digital Versatil Disc) permet de stocker plus d’information en réduisant la taille des “cuvettes” unitairesComment ?

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)


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Stockage d’informationsStockage d’informationsPrincipe du Principe du CD/DVD-R 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


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Stockage d’informationsStockage d’informationsCD réinscriptibles : CD-RWCD 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)


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TélécomsTélécoms

•Téléphonie et Internet : Téléphonie et Internet : communications par fibre optique communications par fibre optique demande exponentielle de bande passante pour la demande exponentielle de bande passante pour la vidéo (mais besoins surestimés lors de la « bulle vidéo (mais besoins surestimés lors de la « bulle télécom » en 2000) télécom » en 2000)

•Aussi : Communications inter-Aussi : Communications inter-satellites (espace libre)satellites (espace libre)


Séance 5


La Fibre OptiqueLa Fibre OptiqueC


Séance 5


Diode laser de faible puissance, à 1.55 µm

C


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Amplificateurs OptiquesAmplificateurs Optiques

C


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TélécomsTélécomsC


Séance 5

L’utilisation des lasers permet L’utilisation des lasers permet d’augmenter la précision et la d’augmenter la précision et la diversité des mesures :diversité des mesures : Utilisation du caractère ondulatoire cohérent Utilisation du caractère ondulatoire cohérent

(interféromètres) = précision meilleure que (interféromètres) = précision meilleure que ! ! Directivité : le laser permet de matérialiser des Directivité : le laser permet de matérialiser des

lignes parfaitement droiteslignes parfaitement droites Puissance : mesure sur des grandes distances Puissance : mesure sur des grandes distances

(ex : mesure distance terre-lune, lidar)(ex : mesure distance terre-lune, lidar)

Mesures OptiquesMesures Optiques


Séance 5


Mesure de la distance Terre-LuneObservatoire 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.


Séance 5


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 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).

Diamètre du faisceau sur la lune : 10 km (1.3 km théoriques en corrigeant les perturbations atmosphériques par une optique adaptative haut de gamme…)


Séance 5


Le LIDAR Le LIDAR (=LIght Detection and Ranging, = RADAR optique)(=LIght Detection and Ranging, = RADAR optique)

Même principe : la mesure du temps Même principe : la mesure du temps d’aller-retour du laser permet d’aller-retour du laser permet d’obtenir la hauteur de la cible visée, d’obtenir la hauteur de la cible visée, et donc de cartographier la zone.et donc de cartographier la zone.


Séance 5

Mesures OptiquesMesures Optiques Interférométrie, HolographieInterférométrie, Holographie

Mesure de déplacements ou de déformation sub microniquesMesure de déplacements ou de déformation sub microniques Possibles grâce à la cohérence des lasers utilisés (Lasers à gaz Possibles grâce à la cohérence des lasers utilisés (Lasers à gaz

en général, typiquement He-Ne))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.


Séance 5


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 rotationsMesure de rotations Indispensables dans les avions, les satellites, les sous-marins…Indispensables dans les avions, les satellites, les sous-marins…

Codes BarresCodes Barres Diodes lasers rougesDiodes lasers rouges Détecte les variations de reflexion entre bandes noires et blanchesDétecte les variations de reflexion entre bandes noires et blanches


Séance 5

Shows laserShows laser

Shows lasers : lasers visibles continusShows lasers : lasers visibles continus ArgonArgon, , KryptonKrypton, Laser solides , Laser solides + conversion de + conversion de

fréquence…fréquence…


Séance 5

Traitement des matériauxTraitement des matériaux


Séance 5



Séance 5

MédecineMédecine

Chirurgie « esthétique »Chirurgie « esthétique » Les lasers continus sont recherchés pour des traitements Les lasers continus sont recherchés pour des traitements

nécessitant un chauffage localisé : Laser COnécessitant un chauffage localisé : Laser CO2 2

AVANT APRES


Séance 5


I. Applications des lasers continus I. Applications des lasers continus Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux






Séance 5

Applications médicales des lasers déclenchésApplications médicales des lasers déclenchés

OphtalmologieOphtalmologie LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue).LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue). Utilisation d’un Laser Excimère impulsionnel (UV)Utilisation d’un Laser Excimère impulsionnel (UV)

http://www.lasik.asso.fr/?q=node/320


Séance 5

Resurfaçage de la cornée assisté par ordinateur (précision 0.25 µm)

Applications médicales des lasers Applications médicales des lasers déclenchésdéclenchés


Séance 5

Effacement des tatouagesEffacement des tatouages Laser adapté au pigment que l’on veut retirerLaser adapté au pigment que l’on 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



Séance 5

Epilation Laser (quasi-définitive)Epilation Laser (quasi-définitive)



Séance 5



Séance 5



Séance 5


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


Séance 5

Forte PuissanceForte Puissance

Les programmes NIF Les programmes NIF (National Ignition Facility(National Ignition Facility))/Mégajoule/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


Séance 5


Processus :Processus :

Approche indirecte

Nécessite des lasers de puissances énormes !

Energie nécessaire estimée ~2 MJ pendant 5 ns


Séance 5


Energie : 1.8 MJEnergie : 1.8 MJ Durée effective : 3-5 nsDurée effective : 3-5 ns Longueur d’onde : Longueur d’onde : Ultra-VioletUltra-Violet Uniformité : mieux que 1 % sur la Uniformité : mieux que 1 % sur la

ciblecible

Laser solide (verre dopé Nd, Laser solide (verre dopé Nd, 1053 nm, pompé par lampes, pompé par lampes

Conversion de fréquence Conversion de fréquence 33 240 (192) faisceaux de 40 x 40 cm² 240 (192) faisceaux de 40 x 40 cm²

au LMJ (NIF, resp.)au LMJ (NIF, resp.)

Objectifs

Solution

Laser megajoule (en construction à Bordeaux) / National Ignition Facility (en construction au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie)


Séance 5

PrincipePrincipe

Une des lignes du NIF :

• 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)

http://www.llnl.gov/nif/project/animations/beamline_anim.movfilm


Séance 5

Tout est démesure…Tout est démesure…

Milieu amplificateur (verre dopé néodyme)

Flashs pour le pompage des verres dopés

Cellule de Pockels

Chambre d’expérience

Cristaux non-linéaires


Séance 5


Les amplis et le transport des faisceaux :Les amplis et le transport des faisceaux :


Séance 5

Forte PuissanceForte Puissance La chambre d’expérienceLa chambre d’expérience

Projet Megajoule


Séance 5


I. Applications des lasers continus I. Applications des lasers continus Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux






Séance 5

Impulsions femtosecondesImpulsions 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)

Projet Teramobile

Génération de Continuum


Séance 5


•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 d’ions positifs qui se repoussentCréation d’ions positifs qui se repoussent

•Ejection de matière sans échauffementEjection de matière sans échauffement


Séance 5


•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 d’ions positifs qui se repoussentCréation d’ions positifs qui se repoussent

•Ejection de matière sans échauffementEjection de matière sans échauffement


Séance 5

Laser fs en médecineLaser fs en médecineAlternative au LASIK : le laser Alternative au LASIK : le laser

femtosecondefemtoseconde


Séance 5

Chaîne femtosecondeChaîne 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 MWAmpli x100

100 MW

Solution : “Chirped Pulse Amplification” (amplification d’impulsions étalées spectralement)

= tirer parti du fait que l’impulsion a un spectre large


Séance 5

Principe CPAPrincipe CPA

(ns)

(fs)

(fs)

Laser Ti-Sa faible puissance


Séance 5

Lasers ultra-IntensesLasers ultra-IntensesEx : Chaîne Ti-Sa (Japon, 2003)

0.85 PW (850 trillions de Watts…), 33 fs

La chaine 100 TW du LULI

1 PetaWatt = 1015 W


Séance 5

La physique de l’extrême…La physique de l’extrême…

““Fast ignition” : coupler un laser Petawatt (fs) Fast ignition” : coupler un laser Petawatt (fs) avec un laser megajoule (ns) pour accélérer la avec un laser megajoule (ns) pour accélérer la fusion thermonucléaire fusion thermonucléaire

en focalisant le laser PW on peut atteindre des en focalisant le laser PW on peut atteindre des densités de puissance jamais atteintes densités de puissance jamais atteintes

~10~1021 21 W/cm² : simulation des conditions W/cm² : simulation des conditions extrêmes régnant au coeur des étoilesextrêmes régnant au coeur des étoiles


Séance 5

La physique de l’extrême…La physique de l’extrême…


Séance 5

ConclusionConclusion

À méditer : À méditer :

““Nous avons l’habitude d’avoir un problème Nous avons l’habitude d’avoir un problème et de chercher une solution. Dans le cas du et de chercher une solution. Dans le cas du laser, nous avons déjà la solution et nous laser, nous avons déjà la solution et nous cherchons le problème” cherchons le problème”

Phrase devenue célèbre attribuée à Pierre Aigrain, Phrase devenue célèbre attribuée à Pierre Aigrain, ancien secrétaire d’état à la recherche, chercheur ancien secrétaire d’état à la recherche, chercheur et membre de l’académie des sciences, peu après et membre de l’académie des sciences, peu après 1960 (date de l’invention du laser)1960 (date de l’invention du laser)


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Documents

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