Lasers - Université Paul Sabatier

LASERS
Les lasers, 50 ans et
toujours pleins d’avenir
>>> Béatrice CHATEL, chargée de recherche CNRS
au Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité
(LCAR, unité mixte UPS/CNRS).
Le 16 mai 1960 naissait le laser, abréviation de « Light Amplification by
Stimulated emission of Radiation » (amplification de lumière par émission
stimulée de rayonnement) dans les mains de Theodor Mainman. Ce pur
produit de laboratoire, qui ne semblait au départ n’intéresser que les
chercheurs, allait se révéler révolutionnaire par la nature de la lumière émise :
directionnelle, cohérente, parfois puissante, et monochromatique. Aujourd’hui,
il continue à être un outil de base dans la recherche.
Il est au cœur de nos lecteurs et graveurs
de disques compacts, de nos imprimantes
ou dans les lecteurs de codes-barres. Il
impressionne par sa beauté dans les
spectacles qui portent son nom. En
médecine, il brûle, cautérise et répare tel
un scalpel optique, sans toucher aux
tissus sains et sans risque de
contamination.
Il peut servir de pince optique ultra-précise
pour transporter des nano-objets par
exemple biologiques. En 50 ans, le laser a
conquis notre quotidien. Sa puissance a
fasciné dès 1964. A l’époque, alors qu’il
apparaît comme une arme contre 007 dans
le film « Goldfinger »,cette puissance lui
ouvre les portes de l’industrie, où il sert à
couper, souder, percer, marquer mais aussi
à nettoyer
les œuvres d’art. Aujourd’hui 35% des
applications lasers se trouvent dans le
« machining processing ». La grande
majorité des informations échangées dans
le monde se fait via un réseau de fibres
optiques où des impulsions lasers
transportent des informations. Son
faisceau rectiligne permet aussi d’aligner
des routes, des tunnels, de reconstruire
des espaces en 3D. La technique LIDAR
permet l’analyse de la composition
atmosphérique.
>>> Laser à colorant de l'équipe
d'interférométrie atomique du LCAR.
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La recherche scientifique, même la plus
fondamentale, bénéficie des propriétés
exceptionnelles des lasers : Ainsi, dans les
laboratoires de la région toulousaine, le
laser permet par exemple de refroidir de
petits échantillons de matière jusqu'à
quelques milliardièmes de degrés
au-dessus de zéro (condensats de
Bose-Einstein), de factoriser des grands
nombres, de suivre la dynamique en temps
réel de réactions chimiques, d’étudier ou
de manipuler des nano-objets, de réaliser
des images 3D d’échantillons biologiques,
d’étudier leur composition, de créer une
étoile artificielle pour améliorer la
résolution de télescopes, d’étudier des
phénomènes de turbulence, de détecter
des polluants, d’analyser la composition
de peintures. Ce dossier vous présente
quelques unes de ces utilisations
étonnantes.
Depuis 1960 neuf prix Nobel de physique
concernent les lasers (pour l’holographie,
l’optique non linéaire, la spectroscopie,
la métrologie, l’observation de réaction
chimique, les atomes froids..). Le laser
a donc su envahir notre quotidien tout en
restant un objet de recherche intense.
Les défis futurs comme la simulation de
réaction thermonucléaire, l’imagerie en
biologie, la simulation de réaction
chimique interstellaire, le sondage de la
matière par des impulsions attoseconde,
la génération de faisceaux de particules
à des fins médicales lui dessinent un
avenir encore fructueux.
Contact : [email protected]
Paul Sabatier — Le magazine scientifique — numéro 19
Lasers
La révolution laser
en mécanique des fluides
Le laser a permis aux spécialistes de mécanique des fluides de mesurer des
déplacements sans interférer avec l'écoulement. Une révolution qui se poursuit
actuellement...
>>> Emmanuel CID, Ingénieur de recherche
CNRS à l’Institut de mécanique de fluides
de Toulouse (IMFT, unité mixte
UPS/INP/CNRS)
L’utilisation des lasers a eu un impact considérable
dans le domaine de la mécanique des fluides.
En effet, le laser constitue aujourd’hui la brique
élémentaire de la plupart des techniques de mesure
modernes des écoulements gazeux ou liquides dans
lesquels on cherche à déterminer, si possible de façon
locale et instantanée, des grandeurs caractéristiques
telles que la vitesse, la concentration d’espèces, la
granulométrie de gouttes, particules …
Vélocimètre laser
Concernant la vitesse, plusieurs techniques
ponctuelles sont couramment utilisées pour mesurer
cette grandeur tels que le tube de Pitot ou les sondes
à fil chaud. Leurs principaux inconvénients sont leur
caractère intrusif et la nécessité d’un étalonnage
fréquent pour les anémomètres thermiques. En 1964,
Yeh & Cummins proposèrent un vélocimètre laser à
effet Doppler (LDV). Deux faisceaux laser cohérents
se croisent pour créer un volume de mesure, dont les
dimensions sont de l’ordre de quelques dizaines de
microns de diamètre sur un millimètre de longueur.
La lumière diffusée par les deux faisceaux est collectée
par un photodétecteur, et sa fréquence est
proportionnelle à la vitesse de traceurs traversant le
volume de mesure. Cette mesure de vitesse ponctuelle
est non intrusive et ne nécessite pas de calibration.
L’utilisation de sources laser continues (He-Ne) et les
différentes raies spectrales de l’argon ont permis de
mesurer simultanément plusieurs composantes de la
vitesse. Dans les années 1980, cette technique a été
étendue à la mesure de la granulomètrie des
particules (phase Doppler) par l’utilisation
de plusieurs photodétecteurs. Le diamètre
d’une particule solide ou liquide est, dans ce
cas, proportionnel au déphasage des signaux
Doppler collectés par les différents
photomultiplicateurs.
>>> Etude du sillage d’un cylindre en soufflerie
par PIV stéréoscopique haute cadence.
Traceur de particules
La mesure de la concentration d’espèces
présentes dans les écoulements peut être
réalisée par prélèvement, avec des temps de
réponse supérieurs à la milliseconde. Cette
mesure peut également être effectuée de
manière instantanée par fluorescence induite
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par laser (LIF). Des molécules injectées dans
l’écoulement sont excitées à la longueur d’onde d’une
source laser. La lumière réémise par fluorescence est
ensuite captée par une photocathode ou un capteur
matriciel. L’amplitude de ce signal est, dans une
certaine gamme, proportionnelle à la concentration
du traceur moléculaire.
Dans les années 1990, une autre technique
anémométrique est apparue et a connu un essor
spectaculaire : la vélocimétrie par images de
particules (PIV). Des particules « traceurs » sont
illuminées par un plan laser. Deux brèves impulsions
figent la position des traceurs dans l’écoulement que
l’on enregistre à l’aide d’une caméra. On mesure le
déplacement local de groupes de traceurs que l’on
assimile au déplacement du fluide. On obtient ainsi
une cartographie instantanée du champ de vitesse
selon une coupe de l’écoulement. En configuration
classique, deux composantes de la vitesse sont
simultanément cartographiées (2D-2C). Deux
caméras en visée angulaire permettent de remonter
simultanément aux trois composantes de la vitesse
(2D-3C). Si l’on travaille avec au moins quatre
caméras et que l’éclairement devient volumique, on
entre dans le domaine de la PIV Tomographique qui
donne accès aux 3 composantes de la vitesse dans un
volume de dimension réduite (actuellement, celles
d’un téléphone portable pour les écoulements dans
l’air et d’un petit livre pour les écoulements dans
l’eau). On peut souligner que l’avènement récent de
lasers impulsionnels délivrant plusieurs dizaines de
milliJoules à des cadences de l’ordre du kHz, a permis
d’augmenter les fréquences d’acquisition de ces trois
techniques et d’explorer de nombreux phénomènes
instationnaires.
L’utilisation du laser en mécanique des fluides a
permis de rendre la mesure expérimentale non
intrusive. Dans un premier temps, celle-ci est restée
ponctuelle, puis est devenue multi-composantes pour
la vitesse et devient actuellement tridimensionnelle et
résolue en temps.
Contact : [email protected]
dOSSIER
Lasers
Un laser pour
des mesures ultra-précises
Une équipe toulousaine spécialisée dans la mesure optique a mis au point un
nouvel appareil laser capable de mesurer la vitesse de la lumière avec une
précision telle qu'il permet de détecter les déformations créées par des champs
magnétique et électrique au cœur de la matière.
>>> Cécile ROBILLIARD, chargée de recherche
CNRS, au laboratoire Collisions, agrégats,
réactivité (LCAR, unité mixte UPS/CNRS)
Niveau laser, télémètre laser : le laser a désormais
investi même les chantiers de travaux publics. Dans le
niveau laser, on n'exploite que la bonne définition
spatiale du faisceau, qui permet un pointé précis même
à des distances de plusieurs dizaines de mètres. Le
principe du télémètre est plus intéressant, puisqu'il
consiste à mesurer le déphasage de l'onde lumineuse
diffusée sur la cible lors de sa propagation aller-retour.
Les modèles courants ont des précisions de l'ordre du
millimètre sur des distances de l'ordre de cent mètres,
soit une précision relative de 10-5.
Horloges atomiques
Les expériences de métrologie actuelles n'utilisent plus
exactement ce principe, car on obtient une précision
bien meilleure en mesurant des fréquences. En effet, la
fréquence – en particulier dans le domaine optique – est
actuellement la grandeur la mieux mesurée au monde,
et ce grâce au laser, dont la longueur d'onde est
extrêmement bien définie. Pour convertir une grandeur
en fréquence et la mesurer, on utilise un résonateur
optique de très haute finesse, dans lequel la lumière
peut être confinée pourvu qu'elle ait la bonne
fréquence. Les progrès récents de l'optique et de
l'électronique permettent de contrôler et mesurer des
fréquences optiques avec des précisions relatives
inférieures à 10-18. Ces mesures ultra-précises trouvent
leur application par exemple dans les horloges
atomiques, les mesures optomécaniques destinées à
l'étude du couplage entre le rayonnement et un élément
mécanique macroscopique, ou encore les interféromètres
à ondes gravitationnelles.
Anisotropie directionnelle
Notre équipe est spécialisée dans ce type de mesures.
Elle a ainsi construit une expérience qui vise à mesurer
par métrologie de fréquence de très faibles anisotropies
optiques induites par champs électrique et magnétique
dans les gaz : par exemple, l'électrodynamique prévoit
qu'en présence de champs électrique et magnétique
transverses et orthogonaux, la lumière ne
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>>> Mise en œuvre expérimentale au LCAR : le montage
est relativement simple mais doit être soigneusement
conçu pour limiter les perturbations.
se propage pas à la même vitesse dans les deux
directions. Prédit depuis plus de 30 ans, cet effet
d'anisotropie directionnelle n'avait jamais été observé,
faute d'un appareil de mesure suffisamment sensible.
Depuis quelques semaines, l’équipe a réalisé l’exploit
dans l’azote. Nous détectons entre deux directions de
propagation opposées une différence d'indice optique,
donc de vitesse de la lumière, de l'ordre de quelques
dizaines de picomètres par seconde, à comparer à la
vitesse de la lumière dans le vide de 300 000 km/s !
D'autres effets magnéto-électro-optiques sont aussi à
notre portée, et leur mesure permettra de compléter les
connaissances sur l'interaction entre le rayonnement et
des atomes ou molécules simples.
Au-delà de ces études d'intérêt physico-chimique, notre
appareil, une fois optimisé, sera un outil de choix pour
affiner les tests des lois et symétries fondamentales qui
constituent le socle sur lequel repose le bel édifice de la
physique contemporaine.
Contact : [email protected]
Paul Sabatier — Le magazine scientifique — numéro 19
Lasers
Chimie ultra rapide
dans l’infiniment petit
En utilisant les technologies les plus modernes issues de l’optique et de
l‘électronique, on peut enfin « voir » en temps réel comment se passe une
réaction chimique au niveau moléculaire…
>>> Valérie BLANCHET, chargée de
recherche CNRS, au Laboratoire de
collisions, agrégats, réactivité (LCAR, unité
mixte UPS/CNRS), membre de l’IRSAMC)
Une liaison chimique est la mise en commun des
électrons des atomes composant la molécule. L’énergie
induite par cette mise en commun est l’énergie de
liaison de la molécule. Dans une réaction chimique,
cette mise en commun est remise en cause au fur et à
mesure que les réactifs s’approchent les uns des
autres. L’énergie de liaison dépend donc de la position
relative des réactifs. Déterminer cette dépendance et
comprendre ainsi ce qui est au cœur de la réactivité
chimique est le but principal de la physico-chimie
fondamentale qui allie expériences et calculs
numériques fondés sur la mécanique quantique.
Comprendre le mécanisme élémentaire d’une réaction
signifie, entre autres, identifier le jeu de forces
responsables du mouvement des atomes. Les molécules
sont souvent étudiées en phase gazeuse où elles sont
isolées de toute interaction, ce qui permet d’obtenir
des informations détaillées sur les processus propres à
la molécule. Traditionnellement, de telles informations
sont données par la spectroscopie résolue en fréquence
qui fait interagir les molécules avec de longues
impulsions de lumière (nanosecondes).
En comparant
les spectres
d’absorption, de
fluorescence et
d’émission stimulée,
on cible les seuils
en énergie de
dissociation, de
branchement et
d’ionisation.
>>> La distribution en énergie cinétique des photoélectrons émis après excitation par
l'impulsion pompe (t=0) et l'ionisation par l'impulsion sonde (t>0) change drastiquement
en fonction du délai entre la pompe et la sonde reflétant la prédissociation de CH3I-> CH3+I*.
A grande vitesse
Mais on peut
maintenant aller
plus loin. Les atomes
peuvent se déplacer
aussi vite que
2 km/s sur des
distances inférieures
à un Angström (un
dixième de
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milliardième de mètre) et les temps typiques mis en
jeu lors d’une réaction sont de quelques dizaines de
femtoseconde (un millionième
de milliardième de seconde). Aucun dispositif
électronique simple n’existe actuellement pour
résoudre de telles échelles de temps. La femtochimie,
technique tout optique, permet de suivre
temporellement ces réactions par excitation laser
ultra-courtes et ainsi accéder à la connaissance de ces
forces. Une première impulsion laser initie la
dynamique en excitant les électrons du système. Cette
première impulsion est appelée « pompe », son rôle
crucial est de fixer l’instant initial de la réaction.
Suite à cet apport d’énergie initial, la molécule se
relaxe via le mouvement de ses électrons et ses
noyaux, voire peut se casser. Une seconde impulsion
laser, appliquée après un délai choisi par
l’expérimentateur et appelée « sonde », vient éjecter
des électrons de la molécule qui devient un ion.
Le signal collecté en fonction du délai entre les
impulsions « pompe » et « sonde » est donc la
quantité d’ions produits, leurs masses, leurs
distributions en énergie et en angle, de même pour
les électrons. Ce signal est collecté par un imageur
de vecteurs vitesse
Stroboscopie
La femtochimie peut-être simplement considérée
comme une stroboscopie par impulsions laser
femtosecondes d’une réaction chimique, permettant
de voir des instantanés des processus chimiques en
temps réel. Quelles sont les échelles de temps
impliquées dans ces processus, quelles sont leur
nature ? Dans quelles conditions vont-ils être
amplifiés ou inhibés ? Autant de questions auxquelles
la femtochimie permet de répondre. Des questions
fondamentales, souvent difficiles mais passionnantes,
mais à la base de tous les processus se déroulant dans
la matière, quelle soit inerte ou vivante…
Contact : [email protected]
Lasers
Des tirs lasers
déchiffrent les minéraux
L’analyse des matériaux par ablation laser connaît de grandes améliorations.
Elle permet de connaître la composition de portions infimes de matériaux
complexes.
>>> Franck POITRASSON, directeur de
recherches CNRS et son équipe, au Laboratoire
des mécanismes et transferts en géologie
(LMTG, unité mixte UPS/IRD/CNRS).
>>> Ablation laser dans un échantillon de Monazite
Il a été mis au point au milieu des années 80 une
méthode permettant de déterminer la composition des
minéraux à l’échelle de quelques dixièmes de
millimètres. Cette technique analytique, (appelée
LA-ICP-MS, Laser Ablation Inductively Coupled
Plasma Mass spectrometry), s’appuie sur l’utilisation
d’un laser pour tirer sur le solide à analyser. L’aérosol
produit est ensuite introduit dans un spectromètre de
masse à torche plasma pour la détection des éléments
chimiques. L’intérêt de l’analyse ponctuelle par
ablation laser est qu’elle permet d’étudier les
matériaux hétérogènes complexes, tels ceux rencontrés
dans la nature.
Roches magnétiques et coquilles de escargot
A l‘Observatoire Midi-Pyrénées (composante de
l’UPS), le LA-ICP-MS est utilisé pour l’analyse
d’éléments à des niveaux de concentrations de l’ordre
de la partie par million. Ces mesures sont réalisées sur
les minéraux du manteau de la Terre et de roches
magmatiques, sur leurs inclusions liquides ou
vitreuses, ou encore sur des charges expérimentales
produites à des températures et des pressions
dépassant respectivement le millier de degrés celsius et
le gigapascal. Elles permettent de déterminer la
nature et l’origine de fluides aqueux ou silicatés qui
affectent les roches dans les profondeurs de la Terre
mais qui n’existent pas à la surface de notre planète.
Des travaux expérimentaux sur des coquilles de
mollusques utilisant le LA-ICP-MS ont également
permis de démontrer l’importance du cycle de vie
diurne de l’animal sur les enregistrements
environnementaux que l’on peut réaliser grâce à
l’analyse de sa coquille.
Les premiers LA-ICP-MS n’étaient pas sans défauts
cependant. Ils utilisaient des lasers à rubis émettant
une impulsion de longue durée, dépassant la
microseconde, dans l’infrarouge. Les matériaux
transparents tel le quartz ou la calcite étaient
impossibles à analyser. Les ablations générées par ce
type de laser produisaient des effets thermiques
accompagnés de processus de fusion dégradant
sensiblement la justesse et la précision des analyses.
« Nd-YAG ou Excimer, Q-switched » et l’emploi de
longueurs d’onde plus courtes, dans le proche
ultraviolet. Les matériaux transparents purent être
analysés et les effets thermiques furent ainsi
sensiblement réduits. La diminution des longueurs
d’onde et l’évolution des systèmes optiques ont
également permis d’améliorer la résolution spatiale
des analyses de minéraux, à l’échelle de la dizaine
de microns, élargissant ainsi le champ des études
possibles.
Les années 2000 ont vu le franchissement d’un
nouveau seuil avec la mise en œuvre des lasers
femtosecondes à impulsions 100 000 fois plus rapides
que les lasers nanosecondes utilisés jusqu’alors. Ce
nouveau domaine ne cesse d’évoluer et permet une
amélioration sensible des analyses chimiques, ne
serait-ce qu’en réduisant considérablement les
phénomènes thermiques. Les effets de matrice, par
lesquels le comportement d’un matériau lors de son
ablation va grandement varier en fonction de sa
nature, sont eux aussi quasiment supprimés.
L’Observatoire Midi-Pyrénées, en collaboration avec le
Laboratoire collision agrégats réactivité (LCAR, unité
mixte CNRS-UPS) et avec l’appui de la société
Amplitude Technologies, fabricant français de lasers
femtosecondes, est à la pointe au niveau international
dans le développement de cette technique. Ce groupe
étudie expérimentalement les mécanismes
d’interaction laser femtoseconde-matière et leurs
implications analytiques. Les cratères d’ablation
produits et les particules générées sont notamment
étudiés pour la première fois par microscopie
électronique en transmission. Ces travaux devraient
déboucher sur une amélioration de la qualité et de la
fiabilité des analyses in situ de solides. Ils vont aussi
permettre de développer de nouveaux champs
d’applications de cette technique, comme les mesures
ponctuelles d’isotopes stables de métaux.
Contact : [email protected]
(Brésil). Energie: 100µJ/pulse, impulsions: 100fs,
cadence: 5Hz, durée: 120s. Noter la netteté des bords
et des parois du cratère, ainsi que l’absence
de matière fondue.
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Matériaux transparents
Des avancées majeures ont été réalisées dans les
années 90 avec l’utilisation de lasers de type
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Lasers
Plus petites, plus intelligentes :
la nouvelle ère des diodes laser
Spécialiste des diodes laser, le laboratoire Photonique du LAAS est en train de
relever deux défis : inventer des diodes laser intégrables sur puce, et les doter
de fonctions qui leur ouvriront des champs d'application mutltiples.
>>> Françoise LOZES, directrice de recherche
CNRS et son groupe « Photonique » du Laboratoire
d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS,
unité propre CNRS, associée à l’UPS)
Les lasers à semi-conducteur, encore appelés diodes
laser, ont envahi notre vie quotidienne. Au cœur des
réseaux de télécommunications optiques, ils n’ont
cessé d’évoluer pour faire face à l’explosion des besoins
et à la demande pressante d’Internet. Les lasers à
semi-conducteur sont aussi essentiels dans les
ordinateurs et les équipements multimédia:
interfaçage homme-machine au moyen d’une souris,
stockage et lecture de données sur disque,
transmission et communication par des réseaux
optiques. Au-delà du traitement de l’information, les
applications des lasers à semi-conducteur concernent
un champ varié et en plein essor : procédés
industriels, chirurgie, analyse biologique, contrôle de
l’environnement, etc…
Aux interfaces de plusieurs disciplines, le domaine de
recherches des lasers à semi-conducteur se nourrit des
avancées sur les matériaux, les nanosciences, les micro
et nanotechnologies. C’est un domaine fondamental
qui suscite des questions essentielles en optique et
photonique et qui bénéficie aussi à des disciplines
fondamentales comme la biologie et les sciences de
l’univers.
Le groupe Photonique du LAAS a mené un parcours
pionnier dans la compréhension et la maîtrise des
différentes générations de diodes laser, répondant à
des besoins spécifiques tels que l’émission dans le
visible, l’accroissement du niveau de puissance, ou
l’obtention d’une émission surfacique. Les recherches
en cours visent la prochaine révolution des diodes
laser. Le défi est de démontrer la capacité des diodes
laser à être « intégrées », pour jeter enfin, à l’image
de la microélectronique, les fondations d’une
« photonique intégrée sur puce ».
>>> Micropointe en polymère fabriquée en surface
d'un VCSEL et auto-façonnée par son faisceau laser.
Microcavités
Les travaux du groupe Photonique s’appuient sur
l’exploitation des phénomènes quantiques et
l’ingénierie de matériaux à bande interdite photonique
pour proposer des lasers en rupture conceptuelle et
technologique par rapport aux diodes actuelles. La
centrale technologique du LAAS, qui fait partie du
réseau des grandes centrales du CNRS
(http://www.rtb.cnrs.fr), permet la réalisation
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technologique de sources laser en filière GaAs
émettant au voisinage de 1µm. Les cristaux
photoniques planaires constituent une brique de base
générique pour les composants photoniques, et
permettent la réalisation de microcavités à fort
coefficient de qualité pour de faibles volumes
électromagnétiques. Le groupe a récemment réalisé
l’intégration planaire de diodes laser monomodales,
entièrement définies par des cristaux photoniques,
dont l’espacement spectral est contrôlé à mieux que
0,3nm. Cette nouvelle architecture de cavité,
compatible avec une intégration planaire, est un
tournant essentiel pour faire émerger les circuits
intégrés photoniques et les systèmes laser sur puce.
Micropointes
Outre le défi de la diode laser « intégrable », il est
crucial d’accroître le potentiel d’utilisation de la diode
laser dans une grande diversité de systèmes : systèmes
tout optique, systèmes « intelligents » associant
l’optique et le logiciel, systèmes opto-fluidiques
associant l’optique, la chimie ou la biologie, micro et
nanosystèmes comportant des fonctionnalités
optiques, électroniques, mécaniques (MOEMs et
NOEMs). Une activité importante est menée autour
d’architectures avancées de lasers à cavité verticale
(VCSELs), intégrant des fonctions de filtrage ou
de photodétection, ainsi qu’une microoptique
active à base de polymère pour obtenir des sources «
intelligentes » et à faible divergence. Très récemment,
le groupe a réussi à intégrer, en surface du VCSEL,
des micropointes en polymère façonnées sur mesure,
ouvrant de nouvelles perspectives d’applications pour
la microscopie en champ proche ou la manipulation
optique pour l’analyse biologique.
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