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Le LASER - Laboratoire de Physique des Lasers
LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le LASER Une solution sans problème ? Sébastien Forget, Maitre de Conférences LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le LASER Une solution sans problème ? “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” (P.Aigrain, 1960) Sébastien Forget, Maitre de Conférences Les lasers sont partout ! Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Plan de la présentation ► Principe du laser ► Les grands types de lasers ► Quelques mots d’histoire ► Applications des lasers Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget introduction ► Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ► Concentré de Physique Fondamentale (Mécanique Quantique) et de Physique Appliquée (Ingenierie) ►3 éléments de base ► ► ► Un milieu Amplificateur Une source externe d’énergie : le pompage Une cavité résonante Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Mécanismes physiques en jeu ABSORPTION Mécanismes “classiques” EMISSION SPONTANEE Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget L’EMISSION SPONTANEE de la lumière dans la vie de tous les jours… Toutes les sources lumineuses (à part le laser !) Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget L’Emission stimulée Emission stimulée Conditions : Amplification •Même direction de propagation •2 ondes en phase •Même état de polarisation • Energie photon incident (hν) = énergie niveau haut – énergie niveau bas • Natomes excités > Natomes dans le niveau fondamental “Inversion de population” indispensable Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget L’inversion de population Etat stable : populations régies par la statistique de Boltzmann Energie Ni=A.e-Ei/kT Niveau excité n … Niveau excité 1 Niveau fondamental Population Il faut FORCER l’inversion de Population en POMPANT le milieu Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget L’inversion de population Energie Niveau excité n Niveau excité 1 N2 N1 Niveau fondamental Population Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le Pompage Le pompage peut être optique (absorption de photons) ou électrique (états excités créés suite à des collisions dans une décharge électrique par ex) Excitation extérieure apporte l’énergie nécessaire au transfert d’une majorité d’atomes dans l’état excité POMPAGE Emission STIMULEE possible Le milieu est alors AMPLIFICATEUR Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget La cavité R=100% Milieu Amplificateur R=25% G=2 G M2 M1 Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Principe Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - LASER vs. LAMPE Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Propriétés de la lumière laser ► Monochromaticité Elle est le plus souvent monochromatique : c’est une onde de fréquence bien définie. Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Propriétés de la lumière laser ► Concentrée dans l’espace Faisceau directif, lumière très « intense » (énergie/unité de surface) Elle peut ainsi former un faisceau très peu divergent, que l’on peut focaliser avec une lentille sur une tache de rayon environ égal à la longueur d’onde Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Propriétés de la lumière laser ► « Cohérence temporelle » ► Les ondes émises par le laser sont « en phases » : on peut réaliser des interférences ► Concentration dans le temps Elle peut être émise en continu ou par impulsions ultracourtes : puissance élevée. Lasers impulsionnels courants : impulsions nanosecondes, voire femtosecondes 10 15 s Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Milieux amplificateurs gazeux Le laser Hélium Néon (He-Ne) ► La transition la plus connue est à 633 nm ► Très utilisée pour l’alignement (faible puissance) Le laser Argon Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Milieux amplificateurs gazeux Le laser CO2 ► Moyen IR (9.6 et 10.6 µm) ► Très grandes puissances possibles (100 kW CW) ► Marché industriel énorme : découpe/soudure des matériaux Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Milieux amplificateurs solides ► Les lasers à matrice cristalline - Milieu amplificateur = cristal (ou verre) dopé avec des ions aux propriétés laser (avec un schéma à 3 ou 4 niveaux) principaux ions laser utilisés : Néodyme (Nd3+), titane Ti3+, ytterbium… matrices hôtes sont variées : YAG (Y3Al5O12) et variantes, Verres, Saphir… Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Milieux amplificateurs solides ► Les lasers à semi-conducteurs Tension appliquée, création d’un courant d’électrons et de trous émission de lumière Bande de conduction recombinaison des électrons et des trous Ef, C -Faible coût -Compacts électrons Ef, V trous Bande de valence Photons Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Milieux amplificateurs solides ► Les fibres amplificatrices dopées à l’Erbium Amplification laser aux longueurs d’ondes Télécom (autour de 1.5 µm). Grandes longueurs d’interaction Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le LASER : Quelques mots d’histoire à l’occasion de son jubilé… Qui ? Quand ? Comment ? ► Théorie 1: Albert Einstein (1917) ► Théorie 2 : Charles Townes (1958) ► Pratique : Théodore Maiman (1960) Cavité résonnante Cavité Fabry Perot 1898 Source d’énergie Milieu amplificateur Emission Stimulée 1917 Pompage Optique Synthèse Réalisation 1960 1949 Maiman Einstein A. Kastler Schawlow Townes Basov Prokhorov Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le premier laser à rubis ► Pratique : Théodore Maiman (1960) Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS Le LASER : Pour quoi faire ? Le LASER pour quoi faire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Ce qui ne marche pas… Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le LASER pour quoi faire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles ► Le laser pour communiquer Couplé à la fibre optique Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles ► Le laser pour stocker des informations Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le LASER pour quoi faire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles ► Le laser pour mesurer 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. Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles ► Le laser pour mesurer : le LIDAR Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le LASER pour quoi faire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles ► Le laser pour soigner ► Ophtalmologie ► ► LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue). Utilisation d’un Laser Excimère (UV) + laser fs Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles ► Le laser pour soigner ► Chirurgie esthétique ► ► AVANT Tatouages Epilation APRES Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles ► Le laser pour nettoyer Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le LASER pour quoi faire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles ► Le laser pour découper Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications essentielles Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le LASER pour quoi faire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Conclusion ► Le laser, 50 ans après son invention, a donné naissance à un nombre incalculable d’applications ► C’est un enfant de la recherche fondamentale ► Que nous promet le futur ? ► Des lasers Ultra-puissants (Mégajoule, pour simuler les étoiles !) Le rêve : la fusion inertielle pour produire de l’ énergie ! Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Conclusion ► Le laser, 50 ans après son invention, a donné naissance à un nombre incalculable d’applications ► C’est un enfant de la recherche fondamentale ► Que nous promet le futur ? ► ► Milli Des lasers Ultra-puissants (Mégajoule, pour simuler les étoiles !) Des lasers ultra-courts micro nano pico femto atto zepto yocto Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Quelques applications MOINS essentielles ► Le laser pour énerver les chats… Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Pour en savoir plus… http://www-lpl.univ-paris13.fr, onglet « vulgarisation » http://www.50ansdulaser.fr Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Forte Puissance ► Les programmes NIF /Mégajoule (National Ignition Facility) 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 Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Forte Puissance ►Processus : Approche indirecte Energie nécessaire estimée ~2 MJ pendant 5 ns Nécessite des lasers de puissances énormes ! Forte Puissance Laser megajoule (en construction à Bordeaux) / National Ignition Facility (en construction au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie) Objectifs ► ► ► ► Energie : 1.8 MJ Durée effective : 3-5 ns Longueur d’onde : Ultra-Violet Uniformité : mieux que 1 % sur la cible Solution ► 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.) Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Principe Une des lignes du NIF : http://www.llnl.gov/nif/project/animations/beamline_anim.mov • 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) Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Tout est démesure… Cristaux nonlinéaires Milieu amplificateur (verre dopé néodyme) Flashs pour le pompage des verres dopés Chambre d’expérience Cellule de Pockels Forte Puissance Les amplis et le transport des faisceaux : Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Forte Puissance La chambre d’expérience Projet Megajoule Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le LASER pour quoi faire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Et le militaire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget Le LASER pour quoi faire ? Ecole Centrale de Marseille - 05/03/10 - S.Forget
