LE LASER - Rackcdn.com

LE
LASER
Fabien Bretenaker
Nicolas Treps
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Fabien Bretenaker et Nicolas Treps
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LE LASER
Cinquante ans après leur invention, les lasers continuent à nous étonner. Leurs
performances sont toujours plus extraordinaires et le champ de leurs applications ne
cesse de s’étendre. Ils sont omniprésents dans notre vie quotidienne pour les lecteurs de
CD, de DVD et de codes-barres et comme ingrédients essentiels des autoroutes de
l’information. Ils sont devenus irremplaçables dans l’industrie et les hôpitaux. Ils
permettent aussi des avancées spectaculaires de la recherche fondamentale : optique
quantique, horloges ultra précises, lasers à atomes, tests de la relativité générale. Ce livre
préfacé par Charles Townes, prix Nobel et inventeur du laser, a été écrit par les meilleurs
spécialistes français du domaine. Après un bref rappel des principes, cet ouvrage offre un
panorama des différents types de lasers, des plus petits aux plus puissants. Il effectue un
vaste tour d’horizon de leurs applications et donne un aperçu des développements les
plus récents.
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Fabien Bretenaker, directeur de recherche CNRS au laboratoire Aimé Cotton à Orsay et
professeur chargé de cours à l’École Polytechnique. Ses recherches concernent la physique des
lasers, l’interaction matière-rayonnement, l’optique non-linéaire et le traitement optique des
signaux radar ;
eett
Nicolas Treps, maître de conférences à l’Université Pierre et Marie Curie à Paris, chercheur
au laboratoire Kastler Brossel. Ses recherches concernent les mesures de grande sensibilité,
l’optique non-linéaire, les propriétés quantiques de la lumière et l’information quantique.
www.edpsciences.org
Isbn : 978-2-7598-0517-4
19 €
Création graphique : Béatrice Couëdel
La collection «« UUNNEE IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN ÀÀ ...... »»se propose de faire
connaître à un large public les avancées les plus récentes
de la science. Les ouvrages sont rédigés sous une forme
simple et pédagogique par les meilleurs experts français.
LE LASER Fabien Bretenaker et Nicolas Treps
Extrait de la publication

Collection « Une Introduction à »
dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac
LE LASER :
50 ans de découvertes
Ouvrage coordonné par
Nicolas TREPS et Fabien BRETENAKER
Préface de Charles H. Townes
17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, France
Extrait de la publication

Imprimé en France.
©2010, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf,
91944 Les Ulis Cedex A
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute
reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le
présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées,
d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation
collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre
dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des
photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation
du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : [phone].
ISBN EDP Sciences 978-2-7598-0517-4
Extrait de la publication

Avant-propos
Cinquante ans après leur invention, les lasers continuent de nous étonner. Leurs
performances sont toujours plus extraordinaires et le champ de leurs applications
ne cesse de s’étendre. Chacun finit par oublier qu’ils sont là, présents dans notre vie
quotidienne, tant ils sont devenus des objets familiers. Pourtant il a fallu des années
d’efforts aux physiciens atomistes pour trouver le principe du laser et obtenir un
premier faisceau de lumière laser à partir d’un cristal de rubis. Depuis, des lasers de
toutes les sortes et de toutes les tailles ont été mis au point. Sans avoir l’ambition de
couvrir toutes leurs applications qui sont devenues aujourd’hui innombrables, dans
les laboratoires comme dans l’industrie, ce livre à plusieurs voix donne un aperçu
des divers aspects de l’activité qu’a engendrée le laser.
La préface a été écrite par Charles Townes, l’un des inventeurs du laser, prix
Nobel de physique en 1964. Elle retrace d’une façon très vivante les étapes souvent
mal connues et parfois cocasses de l’histoire de cette découverte qui continue de bou-
leverser le panorama de la science et de l’industrie depuis un demi-siècle. Rappelons
que les succès des inventeurs américains du laser ont été préparés par les chercheurs
français travaillant à l’École Normale Supérieure autour d’Alfred Kastler, qui avait
établi les bases de physique atomique nécessaires à la compréhension de la théorie
du laser.
Après l’exposé indispensable du principe de fonctionnement du laser, chacun des
chapitres détaille différents types d’instruments, des plus grands aux plus petits, ainsi
que leurs applications. Longtemps considérés comme une solution à la recherche
d’un problème, les lasers ont progressivement pris une place prépondérante dans la
recherche et l’industrie. Une leçon à méditer. . . Les lasers sont d’abord devenus des
instruments irremplaçables à toute métrologie, que ce soit la télémétrie, la vibromé-
trie et la gyrométrie pour le guidage des avions ; aujourd’hui d’ailleurs, ce sont les
lidars qui sécurisent notre vie quotidienne, du transport aérien à la détection de la
pollution. Ils sont également devenus très vite indispensables à la médecine, à la chi-
mie, à la mécanique et à de très nombreux domaines. L’industrie de la machine-outil
a été révolutionnée depuis le développement des lasers de puissance pour la soudure,
la découpe, la brasure, le marquage. Au niveau du grand public, l’irruption des lasers
Extrait de la publication

dans la vie pratique s’est affirmée avec l’apparition des lasers à semi-conducteur, de
la taille d’une tête d’épingle. Les lecteurs de disques compacts permettent des sto-
ckages d’information impensables il y a une trentaine d’années. Et surtout le réseau
Internet utilise leur très grande rapidité pour véhiculer les térabits qui font notre
nouvel univers quotidien.
Les lasers ont également permis des avancées spectaculaires de la recherche
fondamentale : optique quantique, détection des ondes de gravitation, tests de la
relativité générale et des théories cosmologiques. Les recherches sur les atomes froids,
qui ont valu le prix Nobel à Claude Cohen-Tannoudji en 1997, vont déboucher sur
des applications spectaculaires en préparation pour la navigation avec les nouveaux
lasers à atomes qui en découlent. On est bien loin d’avoir épuisé les recherches sur la
technologie des lasers et les possibilités qu’elles vont offrir. Les lasers ultraviolets et
dans le domaine X restent dans l’enfance. À l’autre bout du spectre des fréquences,
les lasers Térahertz continuent à se développer et devraient trouver de nombreuses
applications en chimie et dans le domaine de la sécurité. Les sources d’énergie du
futur utilisant la fusion thermonucléaire nécessiteront de nouvelles générations de
lasers très puissants, impliquant de nouveaux matériaux et de nouveaux concepts
d’architecture optique. Et demain, de nouvelles maladies vont pouvoir être traitées
par laser, comme la dégénérescence maculaire de l’œil, qui affecte des dizaines de
millions de personnes âgées. Bref, le laser a encore un brillant avenir devant lui.
Cet ouvrage a été écrit par des chercheurs français, tous fortement impliqués
dans des travaux qui perfectionnent ou utilisent des lasers. La liste des auteurs est
indiquée au début de chaque chapitre, ainsi que le laboratoire où ils exercent. L’en-
semble de cet ouvrage a été coordonné par deux brillants jeunes chercheurs, Fabien
Bretenaker et Nicolas Treps. Fabien Bretenaker est directeur de recherche CNRS au
laboratoire Aimé Cotton, professeur chargé de cours à l’École Polytechnique ; ses re-
cherches concernent la physique des lasers, l’interaction matière-rayonnement, l’op-
tique non-linéaire et le traitement optique des signaux radar. Nicolas Treps est maître
de conférences à l’université Pierre et Marie Curie à Paris, chercheur au Laboratoire
Kastler Brossel ; ses travaux portent sur les mesures de grande sensibilité, l’optique
non-linéaire, les propriétés quantiques de la lumière et l’information quantique.
Ce livre est destiné à tout public curieux de science et de technologie. Il s’adresse
en particulier aux élèves des classes terminales et préparatoires des lycées, à leurs
professeurs et aux étudiants scientifiques de tous niveaux. Il comporte une grande di-
versité de thèmes, tous traités d’une façon aussi simple et pédagogique que possible,
avec de nombreux figures et schémas mais très peu d’équations. Rédigé à l’occasion
de l’anniversaire des cinquante ans du laser, ce livre a été commandité par la Société
Française de Physique et la Société Française d’Optique, dans le cadre de leur récente
association au sein de la Fédération Française de Sociétés Scientifiques, soucieuse de
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