Mémoire Master Laser : Principes, Technologies et Applications

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
2022
09/01/2022
LASER
Thème
Année universitaire
2021-2022
Responsable
Maître de conférences
Dr BOSSON JOCELYNE
Présenté par
COULIBALY
AWA
MASTER 2 PHOTONIQUE

HISTORIQUE ............................................................................................................................................. 3
CHAPITRE I DESCRIPTION LASER ............................................................................................................. 4
I. LES PRINCIPE DE BASES DU LASER ........................................................................................................ 5
I.1 Emission, Absorption, Pompage ......................................................................................................... 5
I.1.1. Description des mécanismes d'émission-absorption ..................................................................... 5
I.1.2 Inversion de population et pompage .............................................................................................. 7
I.1.3 Les systèmes spectroscopiques ....................................................................................................... 7
II. FONCTIONNEMENT DES LASER ......................................................................................................... 11
II. 1 Théorie semi-classique du laser ..................................................................................................... 11
II.1.1 Introduction .................................................................................................................................. 11
II.1.2 Mode de cavité ............................................................................................................................. 12
II.2. Le rôle de la cavité .......................................................................................................................... 13
II.2. 3 Polarisation de la cavité ............................................................................................................... 14
II.3. Propriétés spécifiques de la lumière laser ..................................................................................... 15
II.3.1 Interférences, Cohérence ............................................................................................................. 15
II.3.2 Directivité du faisceau laser ......................................................................................................... 16
II.3.3 – Densité ....................................................................................................................................... 17
II.3.4 - Monochromaticité de la lumière laser ....................................................................................... 17
II.3.5 Puissance énergétique du laser .................................................................................................... 18
III. LES TYPES FONCTIONNEMENT ......................................................................................................... 18
CHAPITRE II PRINCIPAUX LASERS : TECHNOLOGIE ET APPLICATIONS .................................................. 19
I: LES DIFFÉRENTS TYPES DE LASER ET LEURS APPLICATIONS ............................................................... 19
I.1. Les lasers à gaz ................................................................................................................................ 19
I.1.1 – Introduction ................................................................................................................................ 19
I.1.2 - Le laser à hélium-néon ................................................................................................................ 20
I.1.3 Les lasers à gaz ionisé: argon, krypton ......................................................................................... 22
I.1.4 - Lasers à vapeurs métalliques ...................................................................................................... 23
I.1.5 - Les lasers moléculaires ( CO2, CO ) ............................................................................................. 24
I.1.5.1 Principe de fonctionnement du laser à CO2 .............................................................................. 24
I .1.5.2 Laser à CO2 de faible puissance à tube scellé ........................................................................... 29
I.1.5.3 Laser à CO2 à guide d'onde ........................................................................................................ 29
I.1.5.4 Laser à CO2 de moyenne puissance à flux axial lent .................................................................. 30
I.1.5.5 Laser à CO2 de grande puissance à flux axial rapide .................................................................. 30
I.2. Lasers à isolants dopés .................................................................................................................... 31
I.2.1 – Introduction ................................................................................................................................ 31
I.2.1. Forme du barreau actif ................................................................................................................. 31

I.2.2 La technique du pompage par lampes. ........................................................................................ 32
I.2.3 La technique du pompage par diodes ........................................................................................... 33
I.2.4 Les matériaux actifs ....................................................................................................................... 33
I.3.Laers à semi-conducteurs (ou lasers à diodes) ................................................................................ 34
I.3.1 - Effet laser dans les semi-conducteurs ......................................................................................... 34
I.3.2 Diodes laser de puissance ............................................................................................................. 39
I.4.Laser à colorant liquide .................................................................................................................... 40
I.5. Laser à solide ................................................................................................................................... 41
I.6. Autres lasers .................................................................................................................................... 42
I.6.1 - Lasers chimiques ......................................................................................................................... 42
I.6.2 - Laser à électrons libres ................................................................................................................ 42
I.6 3 - Laser à rayons X ........................................................................................................................... 43
Conclusion ............................................................................................................................................. 43
II LEURS APPLICATIONS....................................................................................................................... 43
1 - Applications énergétiques ................................................................................................................ 44
2- Applications au transport de l’information ....................................................................................... 46
III.SECURITE DU LASER .......................................................................................................................... 50
III.1 Les dangers liés au rayonnement laser .......................................................................................... 51
III.1.1 Les dangers de laser par systèmes laser ..................................................................................... 51
III.2. Protections contre les rayonnements laser .................................................................................. 52
III.2.1 Référent sécurité laser (RSL) ....................................................................................................... 52
CHAPITRE III.LES LEDs ............................................................................................................................ 55
Introduction ........................................................................................................................................... 55
I Description et caractéristiques des LEDs ........................................................................................... 55
II.1. Principe de fonctionnement ........................................................................................................... 56
I.2 Caractéristiques intrinsèques des LED ............................................................................................. 56
I.3 Les matériaux utilisées ..................................................................................................................... 57
I.4 La création de LEDs émettant de la lumière bleue .......................................................................... 57
I.5 Création de LEDs émettant de la lumière blanche ........................................................................... 58
I.6 Critères d’évaluation des performances d’une LED ........................................................................ 60
I.7 Notions permettant d’évaluer les performances d’une LED ........................................................... 61
CONCLUSION ......................................................................................................................................... 64
PLAN

HISTORIQUE
Les travaux d’Albert Einstein qui posèrent les lois théoriques pour la réalisation des lasers
datent de plus de 80 ans. En effet, c’est en 1917 qu’il a publié ses fameux travaux sur
l’absorption et l’émission de lumière où il mentionne les différences entre émission spontanée
et émission stimulée. C’est au cours des années 1960 que l’on a vue apparaître de nouvelles
sources lumineuses : les lasers (pour Light Amplification by Stimulited Emission of Radiation ;
amplification de lumière par émission stimulée de rayonnements). En 1958, les Américains
Schawlow et Townes ont proposé le principe du laser. Maiman fit fonctionner en 1960 le
premier laser à rubis (cf. annexe), la réalisation du premier laser à gaz, utilisant le mélange
gazeux He-Ne est dû en 1961 à Javan, Bennett et Herriot. Depuis le développement des lasers
a pris depuis une importance scientifique considérable, avec des applications aussi diverses
que nombreuses que nous détaillerons dans le dernier chapitre. Dans ce document, nous
tacherons de détailler au mieux les éléments de fonctionnement du laser, d’expliquer
succinctement le principe des différents lasers et nous énumérerons enfin quelques-unes
unes de ses applications afin de voir à quel point le laser à pris une place importante dans le
monde actuel. Une annexe détaille les éléments pré-requis pour la compréhension du laser.

CHAPITRE I DESCRIPTION LASER
La lumière, qu’elle soit naturelle (soleil) ou artificielle (bougie, phare de voiture…), est le
résultat d’une émission spontanée. Les sources d’émission de lumière sont énormes, la lampe
en fait partie elle émet de la lumière dans tous l’espace ou dans un cône. Le laser émet de la
lumière dans une seule direction de l’espace. Les lasers sont des sources qui émettent un «
concentré de lumière » concentré à la fois spatial et temporel. Le concentré spatial se traduit
par la capacité de la lumière laser à se focaliser sur de très petites surfaces, tout en
transportant des puissances non négligeables. Par exemple, un simple laser hélium néon
émettant une puissance de 1 mW est capable d'induire un effet d'éblouissement dix fois
supérieur à l'éblouissement provoqué par le soleil. Le concentré temporel est la capacité de
la lumière laser à transporter un nombre de photons considérable concentrés en un temps
très court. Des lasers utilisent habituellement le pouvoir disposer d'impulsions lumineuses
ayant une énergie de l'ordre du joule et une durée de l'ordre de la nanoseconde. La puissance
instantanée de l'impulsion laser dans ce cas est de l'ordre du gigawatt ! Des impulsions
lumineuses encore plus puissantes (jusqu'au petawatt 1015W) sont de plus en plus courantes.
Les effets provoqués sur la matière par de telles impulsions sont très violents : absorption
extrêmement rapide puis éjection de matière à grande vitesse. Ce qui fait de laser un outil
qui a des risques lors de sa manipulation car il peut agir sur la peau et sur les yeux de façon