Les lasers continus - Laboratoire de Physique des Lasers
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Les LASERS et leurs applications - III Sébastien FORGET Maître de conférences Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris-Nord Merci à Sébastien Chenais (LPL, Paris-Nord) Et à Patrick Georges (Institut d’Optique, Paris XI) pour leur contribution à ce cours. Plan général du cours z I . Les principes de base du laser z II . Les différents types de lasers z III. Applications des lasers continus Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux z IV. Les lasers à impulsions “courtes” (nanoseconde et leurs applications Exemple du Laser MegaJoule (CEA) z V . Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs) Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Troisième partie z Application z Stockage des lasers Continus d’information z Telecoms z Mesures optiques z Shows lasers z Traitement des matériaux z Médecine Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Fonctionnement Continu - On pompe le laser et le gain augmente. - Lorsque le gain DÉPASSE les pertes (SEUIL), l’oscillation laser s’installe dans la cavité - Le gain est alors FIXE et EGAL aux pertes. - Le laser est en régime stationnaire. En pratique : - Pour des puissances faibles (<100 mW) et si la longueur d’onde requise le permet : on essaie d’utiliser des diodes laser (coût) Lasers Continus - pour des puissances supérieures : ça dépend de l’application Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Stockage d’informations Lecture du CD-R ou RW Lasers Continus La reflexion du laser est différente sur un « plat » (land) et sur un « saut » (bump) entre deux plats. Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Stockage d’informations z CD vs DVD Le DVD (Digital Versatil Disc) permet de stocker plus d’information en réduisant la taille des “cuvettes” unitaires Comment ? En reduisant la longueur d’onde du laser ! En effet Diamètre min. possible ≈ λ² (lois de la diffraction) Passage du proche IR (800 nm pour CD) au rouge (630 nm pour DVD) Î 700 Mo à 4.7 Go (DVD simple) voire 17 Go (double face double couche) L’avenir : le “Blue Disk” Lasers Continus Utilisation de diodes lasers BLEUES : capacité augmentées à 27 Go (= 13 h de vidéo compressée) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Stockage d’informations z Principe du CD/DVD-R Ecriture du CD-R Laser Focalisé chauffe le colorant organique Î Déformation du substrat plastique = formations de “bosses” et de “trous” (“0” ou “1”) Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Stockage d’informations z CD réinscriptibles : CD-RW • Materiau pour CD réinscriptibles : alliage de métaux présentant 2 Phases (cristalline et amorphe) Alliage (AgInSbTe) • 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 Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Télécoms •Téléphonie et Internet : communications par fibre optique demande exponentielle de bande passante pour la vidéo (mais besoins surestimés lors de la « bulle télécom » en 2000) •Aussi : Communications inter-satellites (espace libre) Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Télécoms C z La Fibre Optique Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Télécoms C Diode laser de faible puissance, à 1.55 µm Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Télécoms C z Amplificateurs Optiques Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Télécoms Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Télécoms C Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Mesures Optiques z L’utilisation des lasers permet d’augmenter la précision et la diversité des mesures : z z z Lasers Continus Utilisation du caractère ondulatoire cohérent (interféromètres) = précision meilleure que λ ! Directivité : le laser permet de matérialiser des lignes parfaitement droites Puissance : mesure sur des grandes distances (ex : mesure distance terre-lune, lidar) Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Mesures Optiques 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. Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Mesures Optiques z Principe (valable aussi avec les satellites) Diamètre du faisceau sur la lune : 10 km (1.3 km théoriques en corrigeant les perturbations atmosphériques par une optique adaptative haut de gamme…) 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). Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Mesures Optiques z Le LIDAR (=LIght Detection and Ranging, = RADAR optique) z Lasers Continus Même principe : la mesure du temps d’aller-retour du laser permet d’obtenir la hauteur de la cible visée, et donc de cartographier la zone. Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Mesures Optiques z Interférométrie, Holographie z z Mesure de déplacements ou de déformation sub microniques Possibles grâce à la cohérence des lasers utilisés (Lasers à gaz 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. Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Mesures Optiques z Gyrolaser z z Mesure de rotations Indispensables dans les avions, les satellites, les sous-marins… 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. z Codes Barres z z Diodes lasers rouges Détecte les variations de reflexion entre bandes noires et blanches Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Mesures optiques z Autres exemples : z Mesure de fréquences z Mesure du temps (Horloges Atomiques) z Mesures spectroscopiques z Gyromètres z z Lasers Continus Mesures de direction pour pointé (guidage de missiles, niveau laser pour architectes…) Lecture de codes-barres dans les supermarchés… Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Shows laser z Shows lasers : lasers visibles continus z Argon, Krypton, Laser solides + conversion de fréquence… Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Traitement des matériaux Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Traitement des matériaux Lasers Continus Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord Médecine z Chirurgie « esthétique » z Les lasers continus sont recherchés pour des traitements nécessitant un chauffage localisé : Laser CO2 AVANT Lasers Continus APRES Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
