Cours complet sur les lasers et leurs applications

Les LASERS et leurs
applications
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”)
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Plan I
zI
. Les principes de base du laser
z A.
Le milieu amplificateur
z B. Le pompage
z C. La cavité
z D. Les propriétés de la lumière LASER
z Spectrales
z Spatiales
z Temporelles
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I.Les principes de base
z
Qu’est-ce qu’un laser ?
z
Conditions d’oscillation : analogie avec
l’oscillateur électronique
z
Propriétés du rayonnement laser
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Qu’est ce qu’un Laser ?
z
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
z
Concentré de Physique Fondamentale (Mécanique
Quantique) et de Physique Appliquée (Ingenierie)
z
3 éléments de base
z
z
z
A.
B.
C.
Un milieu Amplificateur
Une source externe d’énergie : le pompage
Une cavité résonante
Les Bases
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Un peu d’Histoire
A
C
Milieu
amplificateur
Cavité résonante
Emission
Stimulée
Cavité
Fabry
Perot
1917
B
Source d’energie
Synthèse
Réalisation
Pompage
Optique
1949
1960
1898
Einstein
Les Bases
Maiman
A. Kastler
Schawlow
Townes
Basov
Prokhorov
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A. Le milieu amplificateur
Absorption
Mécanismes
““classiques”
classiques”
Emission spontanée (temps τ)
Les Bases
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L’émission stimulée
Emission stimulée
Conditions :
Amplification
•Même direction de propagation
•2 ondes en phase
•Même état de polarisation
• Energie du photon incident (hν ) = Energie du niveau haut
– énergie du niveau bas (∆E)
• Natomes excités > Natomes dans le niveau fondamental
Les Bases
“Inversion de population” indispensable
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L’inversion de population
z
Etat stable : populations régies par la statistique de Boltzmann
Energie
Ni=A.e-Ei/kT
Niveau excité n
…
Niveau excité
1 fondamental
Niveau
Population
Il faut FORCER l’inversion de Population en POMPANT le milieu
Les Bases
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L’inversion de population
Energie
Niveau excité n
Niveau excité
1 fondamental
Niveau
N2
N1
Entre ces deux niveaux :
Inversion de population
Population
Les Bases
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B. Le pompage
z
Le pompage peut être optique (absorption
de photons) ou électrique (états excités créés suite à
des collisions dans une décharge électrique par ex)
z
Excitation extérieure apporte l’énergie nécessaire au
transfert d’une majorité d’atomes dans l’état excité
POMPAGE
Les Bases
Emission STIMULEE possible
Le milieu est alors AMPLIFICATEUR
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Un laser à 2 niveaux ?
POMPE
(2)
Émission
stimulée
Résultat de physique atomique (Einstein
1917):
« Pour une transition donnée la
probabilité d’émission stimulée (pour 1
atome dans l’état excité éclairé par 1
photon) est égale à la probabilité
Émission
d’absorption (pour 1 atome dans l’état
spontanée fondamental éclairé par un photon) »
Donc : il
(1)
est impossible en pompant
une seule transition atomique
d’obtenir une inversion de
population N2 > N1
Au maximum (fort pompage) : N1 = N2
Les Bases
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Système à 3 niveaux
Inversion de Population difficile !
(3)
Non radiatif (sans émission de photon) rapide (ns)
POMPE
(2)
On veut N2-N1 le plus grand possible :
Effet laser
Il faut peupler (2) Î OK
Il faut vider (1) Î + dur !! (niveau fondamental)
(1)
Fonctionnement en continu difficile à
atteindre (le niveau (1) se repeuple dès
que le laser marche !)
Les Bases
Il existe un seuil de transparence (il faut
pomper pour atteindre ∆N = 0)
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Système à 3 niveaux : exemple
Th. Maiman,1960
(Impulsionnel µs)
Les Bases
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Quelques équations…
Système à 3 niveaux
(3)
POMPE
Wp
POMPE
γ32
K
(2)
W
Ecrivons les équations d’évolution des populations
de chaque niveau :
dN1
= K.N2 + W.(N2 − N1) + Wp (N3 − N1)
dt
(1)
γij (s-1) = proba de désexcitation non radiative
de (i) vers (j)
Wp (s-1) = proba d’absorption de la pompe
dN2
= γ 32 .N3 − K.N2 − W.(N2 − N1)
dt
K (s-1) = proba d’emission spontanée
W (s-1) = proba d’absorption ou d’émission
stimulée
Ni (cm-3)= densité d’atomes dans le niveau I
N = N1+N2+N3
dN3
= −γ 32 .N3 − Wp (N3 − N1 )
dt
Les Bases
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Quelques équations…
Système à 3 niveaux
(3)
POMPE
Wp
POMPE
γ32
K
(2)
W
En régime stationnaire
dN1
= K.N2 + W.(N2 − N1) + Wp (N3 − N1)
dt
∆N
(1)
γij (s-1) = proba de désexcitation non radiative
de (i) vers (j)
Wp (s-1) = proba d’absorption de la pompe
=0
dN2
= γ 32 .N3 − K.N2 − W.(N2 − N1) = 0
dt
K (s-1) = proba d’emission spontanée
W (s-1) = proba d’absorption ou d’émission
stimulée
Ni (cm-3)= densité d’atomes dans le niveau I
N = N1+N2+N3
dN3
= −γ 32 .N3 − Wp (N3 − N1 ) = 0
dt
Les Bases
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Quelques équations…
Système à 3 niveaux
(3)
POMPE
Wp
POMPE
γ32
K
(2)
Après un petit calcul :
( γ 32 − K ) .Wp − K.γ 32
∆N
=
N
( 3W + 2K + γ 32 ) .Wp + (K + 2W ) .γ 32
W
(1)
Inversion de population (∆N>0) ?
γij (s-1) = proba de désexcitation non radiative
de (i) vers (j)
a) γ32 >K
Wp (s-1) = proba d’absorption de la pompe
b) si γ32 >>K :
K (s-1) = proba d’emission spontanée
W (s-1) = proba d’absorption ou d’émission
stimulée
Condition classiquement remplie
Wp − K
∆N
=
N
Wp + K + 2W
Condition 2 : Wp > K
Ni (cm-3)= densité d’atomes dans le niveau I
N = N1+N2+N3
Les Bases
Transparence (∆N>0) obtenue pour Wp=K
Il faut un pompage efficace pour réaliser cette condition
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Système à 4 niveaux
Inversion de Population facile !
(3)
Il faut peupler (2) Î OK
Non radiatif rapide
POMPE
POMPE
(2)
Il faut vider (1) Î OK (vite dépeuplé vers (0)
Rq : Dès que le pompage est actif (N2 ≠ 0)
l’inversion de population est atteinte (N1 = 0)
Effet laser
(1)
Non radiatif rapide
(0)
Fonctionnement en continu possible
Pas de seuil de transparence
Les Bases
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Système à 4 niveaux : exemple
Lasers solides à base de Néodyme
La plupart des lasers fonctionnent
sur des schémas 4 niveaux
•Grande variété de longueurs d’ondes
•Valeurs fixées très précisement par la transition, non accordable
Les Bases
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Quelques équations…
Système à 4 niveaux
(3)
γ32
(2)
Approx. γ32 >> K
(désexcitation 3-2 très rapide)
POMPE
Wp
POMPE
Niveau 3 = intermédiaire de pompage (en regime permanent, N3 << N)
K
N = N0+N1+N2+N3 ≈ N0+N1+N2
W
(1)
γ10
dN0
= γ10.N1 − WpN0
dt
(0)
γij (s-1) = proba de désexcitation non radiative
de (i) vers (j)
Wp (s-1) = proba d’absorption de la pompe
K (s-1) = proba d’emission spontanée
W (s-1) = proba d’absorption ou d’émission
stimulée
Ni (cm-3)= densité d’atomes dans le niveau I
N = N0+N1+N2+N3
dN1
= K.N2 + W.(N2 − N1) − γ10.N1
dt
dN2
= Wp.N0 − K.N2 − W.(N2 − N1)
dt
Les Bases
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Quelques équations…
Système à 4 niveaux
(3)
γ32
POMPE
K
W
(1)
POMPE
Wp
(2)
γ10
En régime stationnaire
dN0
= γ10.N1 − WpN0
dt
=0
(0)
γij (s-1) = proba de désexcitation non radiative
de (i) vers (j)
Wp (s-1) = proba d’absorption de la pompe
K (s-1) = proba d’emission spontanée
-1
W (s ) = proba d’absorption ou d’émission
stimulée
Ni (cm-3)= densité d’atomes dans le niveau I
N = N0+N1+N2+N3
dN1
= K.N2 + W.(N2 − N1) − γ10.N1 = 0
dt
∆N
dN2
= Wp.N0 − K.N2 − W.(N2 − N1) = 0
dt
Les Bases
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Quelques équations…
Système à 4 niveaux
(3)
POMPE
Wp
POMPE
γ32
K
(2)
W
(1)
γ10
Après un petit calcul
( γ10 − K ) .Wp
∆N
=
N
( 2W + K + γ10 ) .Wp + (K + W ) .γ10
Condition d’inversion de population
(0)
γij (s-1) = proba de désexcitation non radiative
de (i) vers (j)
γ10 > K
Wp (s-1) = proba d’absorption de la pompe
Cette condition est en général largement verifiée (γ10 >> K)
K (s-1) = proba d’emission spontanée
On a alors :
W (s-1) = proba d’absorption ou d’émission
stimulée
Ni (cm-3)= densité d’atomes dans le niveau I
N ≈ N0+N1+N2
Les Bases
Wp
∆N
≈
N
Wp + W + K
Transparence (∆N>0) obtenue pour Wp= 0
Pas de condition sur le pompage pour un laser 4 niveaux !
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3 niveaux / 4 niveaux
∆N/N
∆N/N
3 niveaux
1
1
Oscillation laser
∆Nseuil/N
Oscillation laser
Saturation (cf plus loin)
Inversion
0
4 niveaux
1
Seuil
Saturation
∆Nseuil/N
0
Wp/K
Seuil
Wp/K
-1
Puissance
Pente 4
Les Bases
Seuil 4
Pente 3
Seuil 3
Pompe (Wp)
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Lasers accordables
Plage d’émission = largeur
de la bande inférieure
Relaxation rapide vers le bas
de la bande
Ex :
POMPE
λ1
Ti:Sa [700-1100 nm]
Colorants (visible)
λ2
λ3
…
Arrivée sur un niveau
quelconque de la bande
inférieure
Les Bases
Rq : on utilise souvent un laser à fréquence fixe + un OPO
pour obtenir un rayonnement accordable
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C. La Cavité
z
z
z
Permet de recycler les photons et d’obtenir un effet en
cacade
Longueur multiple de λ : Ondes stationnaires
La plus simple : 2 miroirs dont un partiellement
réflechissant pour extraire les photons utiles
Milieu
Amplificateur
2L = n. λ
Photons utiles
ν = n. c/2L
Condition de “Rebouclage en phase” sur un aller-retour
Les Bases
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Le résonateur
z
Cavité classique
a
Faces métalliques réflechissantes
d
b
“Modes” de résonance de la cavité = ondes stationnaires
c ⎡⎛ m ⎞ ⎛ n ⎞ ⎛ q ⎞ ⎤
= ⎢⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎥
2 ⎣⎝ a ⎠ ⎝ b ⎠ ⎝ d ⎠ ⎦
2
υmnq
2
2
1
2
m, n, q entiers
c = vitesse de la lumière
Nombre de modes N dans la cavité (volume V et un intervalle spectral ∆ν)
N = 8πν².V. ∆ν / c3
Pour λ = 10 cm (µondes), N ~ 1 : MASER
Pour λ = 1 µm (optique), N ~ 109 : beaucoup trop !
Les Bases
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Le résonateur ouvert
z
Solution : diminuer le nombre de mode
en “ouvrant” la cavité
Peu d’Aller-Retour avant de quitter la cavité : pas d’amplification
Beaucoup d’AR avant de quitter la cavité : Amplification possible
Résonateur type “Fabry-Perot”
Les Bases
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Les modes d’une cavité
Modes
propres
2L = n. λ
νn = n. c/2L
Au bout de quelques
AR tout mode non
résonnant a une
intensité nulle
L
Dans l’espace des fréquences :
Les Bases
Condition de
“Rebouclage
en phase” sur
un aller-retour
Courbe de
gain du milieu
amplificateur
ν
C/2L
Copyright
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Répartition spectrale des modes
z
Un mode νmpq = un triplet m, p, q
z
z
m, p = modes transverses
q = modes longitudinaux
ν00q
ν00q+1 ν01q+1
ν01q
ν10q
ν11q ν02q
ν20q
ν10q+1
ν11q+1ν02q+1
ν20q+1
∆νq=c/2L
Écart entre 2 modes longitudinaux consécutifs
…
ν
L = longueur de la cavité
c = vitesse de la lumière
Un laser est monomode longitudinal si seuls les modes TEMmpq lasent (q fixé)
Un laser est monomode transverse si seuls les modes TEM00q lasent
Les Bases
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Répartition spatiale des modes
TEM00
TEM01
TEM11
TEM12
TEM33
Les Bases
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Stabilité d’une cavité
Condition sur les miroirs pour qu’un rayon paraxial reste dans la cavité après un
nombre infini d’aller-retours
z
2 miroirs R1, R2, cavité de longueur L
Les Bases
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Types de cavité
z
On a parlé que de cavités linéaires type :
z
Mais toute cavité “bouclée” peut marcher !
Milieu Amplificateur
Ex : Cavité en anneau (“d” remplace les “2L” des expressions précédentes)
d
Les Bases
Rq : Onde progressive : pas de brûlage de trous donc fonctionnement
monomode plus facile
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Résumé
POMPAGE
EMISSION
STIMULEE
CAVITE
Les Bases
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Résumé 2
Atomes dans le niveau fondamental
Pompage (ici par flash)
Atomes portés en majorité dans le niveau excité
Effet “cascade” dû à la cavité
Emission
spontanée/stimulée
Emission à travers un des miroirs
Les Bases
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Conditions d’oscillation
Tout oscillateur stable doit réunir trois ingrédients :
z
Une condition sur le gain : Gain = Pertes
sur un aller-retour en régime stationnaire
z
Gain ∝ exp (σ.∆N.L)
z
Pertes = Rmiroirs + pertes intrinsèques (diffusion, diffraction…)
(σ = section efficace, ∆N = inversion de
population, L = longueur du milieu
amplificateur)
Une condition sur la phase : résonance
z Un élément stabilisateur :
la saturation du gain
z
Les Bases
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Analogie électronique
Amplificateur électronique
Amplificateur optique
pompe
+Vcc
Icc
Ve
G
Is
Vs = G Ve
é
Milieu
amplificateur
Pompage : optique (ou électrique)
pompage = le circuit d’alimentation
Ppompe = (Nbre photons pompe absorbés /s)
x hνpompe (pour un pompage optique)
Puissance de pompe : Ppompe = Vcc Icc
Psortie : (Nbre photons en sortie /s) x hνlaser
La puissance de sortie : Psortie=Vs Is
Conservation énergie
Conservation énergie → Psortie – Pentrée < Ppompe
Les Bases
→ Psortie – Pentrée < Ppompe
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Analogie électronique
z
Un oscillateur électronique fonctionne si
l’oscillation générée à l’entrée est en phase
(rétroaction positive) avec le signal de
rétroaction
G
Ve
H.G Vs
G
Vs =
Ve
1− H G
H
Condition
oscillation :
Vs
(
1− H G = 0
)
Arg H ( jω ) G ( jω ) = 0
→ la condition sur la phase fixe la fréquence d’oscillation ω ≠ 0
Les Bases
(≠ optique : la cavité impose un « peigne » de fréquences)
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Condition Gain = Pertes en régime stationnaire
Exemple : Si le gain = 4 à chaque aller-retour dans le milieu amplificateur
(donc gain simple passage = 2) il faut que les pertes divisent par 4 le
nombre de photons
G x H = 1 ou G = 1/H
Gain
pertes
4
0.25
G
H
Dans une cavité idéale
sans autres pertes que
celles du miroir de sortie :
R=100%
Milieu Amplificateur
R=25%
G=2
G
Les Bases
M1
M2
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Gain = Pertes
Raisonnons sur les amplitudes
Coefficient de réflexion en amplitude des miroirs :
r²=R.e2iϕ
avec R=Réflectance (=I1/I0) et ϕ = déphasage apporté par le miroir
Gain en amplitude = eγL/2 eikL(avec γ=σ.∆n)
Pertes en amplitude = e-αpL/2 eikL
Donc sur un aller : G= e(γ-αp)L/2 eikL
(pertes propres au milieu
amplificateur)
En termes d’Intensité :
Gain : G=I1/I0=eγL
Pertes : A=e-αpL
Milieu Amplificateur
Les Bases
M1
M2
L/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget
Gain = Pertes
Suivons une onde E0eiωt qui quitte M1 :
E0eiωt
E0eiωt.e(γ-αp)L/2 eikL
E0eiωt.e(γ-αp)L/2 eikL.r2
E0eiωt.e(γ-αp)L.e2ikL.r2
E0eiωt.e(γ-αp)L.e2ikL.r2.r1 = E0eiωt état stationnaire
Milieu Amplificateur
M1
L
M2
Condition d’oscillation : e(2ik+γ-αp)L.r2.r1=1
Les Bases
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Gain = Pertes
Condition d’oscillation : e(2ik+γ-αp)L.r2.r1=1
z
1) Condition sur l’amplitude : le gain doit surpasser les pertes
|r1. r2 |. e(γ-αp)L >1
Soit au seuil : γseuil = αp – ln (|r1. r2 |)/L = αp – ln (R1. R2 )/2L
z
2) Condition sur la phase : rebouclage de la phase
e2ikL =1 soit 2kL=p.2π
(k=2πn.ν/c)
νp=p.c/(2.n.L)
Les Bases
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Saturation du gain
z
Avant l’établissement du régime stationnaire, il faut
que GAIN > Pertes pour que l’intensité « se
construise » dans la cavité
Gain
Point de fonctionnement
Gain(I) = Pertes
G0
G(I)
Stabilité :
Pertes (1/H)
- Si I augmente,
Gain < pertes donc I
diminue : stabilisation
- Si I diminue,
Gain > pertes donc I
augmente : idem.
Les Bases
I
Intensité laser dans la cavité
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Et pourquoi le gain sature-t-il ?
(3)
(3)
Non radiatif rapide
Non radiatif rapide
Effet laser
(2)
POMPE
POMPE
POMPE
POMPE
(2)
Effet laser
(1)
(1)
Non radiatif rapide
Faible intensité :
inversion de population
forte
Les Bases
∆N = N2 – N1
Gain ∝ exp (σ.∆N.L)
Forte intensité : chaque
photon laser fait retomber
un atome dans l’état du
bas : niveau du haut
dépeuplé : ∆N diminue !
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Saturation du Gain
En résumé :
Le Gain G est proportionnel à l’inversion de population ∆N
Sous le seuil : ∆N croit linéairement avec le taux de pompage R
Au dessus du seuil : ∆N sature, car si le niveau superieur se remplit vite via le pompage R,
il se vide également très vite via la transition laser : on atteint un équilibre. ∆N reste
constant, donc le gain aussi.
Au dessus du seuil, toute la puissance de pompage sert à augmenter le signal optique
∆N
Photons
∆Nseuil
Les Bases
Rseuil
Pompage
Rseuil
Pompage
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Saturation du Gain
E0eiωt
E0eiωt.e(γ-αp)L.e2ikL.r2.r1
E0eiωt.(e(γ-αp)L.e2ikL.r2.r1)²
…
Milieu Amplificateur
E =E0eiωt.[1+(e(γ-αp)L.e2ikL.r2.r1) +(e(γ-αp)L.e2ikL.r2.r1)² + …)
Sommation :
E=E0
e iωt
1 − r1.r2 .e (
γ −αp )L
.e i2kL
Quand le dénominateur s’annule :
• On retrouve la condition d’oscillation
Les Bases
Saturation du
• On observe que γmax = γ seuil (calculé avant)! gain G ≤ Gseuil
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D.Propriétés de l’émission LASER
z
1) Propriétés SPECTRALES
Emission des X au lointain IR (λ<100 nm → mm (THz))
X
z
z
UV
Visible
Infrarouge
Hyperfréquences
Micro-onde
Radio
Gamma
z
Les lasers — en régime continu ou en régime d’impulsions
“longues” (>ns) — sont “monochromatiques” (spectre très fin
∆λ < 1 nm)
Attention, il existe aussi des lasers à spectre large !
(Dépend du type de milieu
amplificateur utilisé)
Les Bases
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Monochromatique ?
Modes autorisés par la cavité
= Oscillation laser possible (gain> pertes)
Courbe de Gain (non saturé)
Pertes
Ici : 5 modes possibles
C/2L
≈ MHz
Exemples
Les Bases
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Tous monochromatiques ?
Fonctionnement naturel Multimode
(∆ν ~ 1010 Hz → ∆λ ~ 0,01 nm)
∆ν
Fonctionnement monomode
(pertes sélectives favorisant UN
SEUL mode)
A
Ex : lasers pour la métrologie /
télécom optiques
(∆ν ~ 106 Hz → ∆λ ~ 10-6 nm)
ν0
∆ν
Fonctionnement fortement
multimode : lasers NON
monochromatiques
ex : Titane-saphir
Les Bases
∆ν = 4.1014 Hz → ∆λ ~ 300 nm
∆ν
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L’Emission LASER
z
2)Propriétés SPATIALES
z
z
Faisceau très directif, collimaté (divergence très faible)
Profil Gaussien en général
w(z)
2 w0
r
z
θ=λ/πw0
w²(z) = w0² (1+(λz/πw0)²)
1/e
Les Bases
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Propriétés de l’émission LASER
Diamètre D
Lentille focale f
Ordre de grandeur : si
f~D →Φ~λ
Diamètre au waist (=col
en français)
Φ = 4λ f / πD
Focalisation sur des très petites dimensions (surface min ~ λ²)
→ Conséquence de cette concentration dans l’espace :
Densités de Puissance énormes !
Les Bases
Ordre de grandeur : laser 10 W à λ = 500 nm (vert) :
densité de puissance max au waist (=Puissance/surface) =
10/(0,5.10-6)² = 4 GW/cm2
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
L’Emission LASER
z
3) Propriétés TEMPORELLES
Fonctionnements possibles :
z
z
Régime Continu
Régime impulsionnel :
Durées : de la µs à la femtoseconde (10-15 s)
Cadences : de < 1Hz au GHz
Conséquence de cette concentration dans le temps :
Puissances Crêtes énormes !
Ordre de grandeur : Laser impulsionnel 5 ns (durée impulsion), 10 Hz (cadence),
10 W (puissance moyenne) → Pcrete = Pmoyen/(cadence x durée) = 200 MW !!
(densité max au waist, si ce laser est focalisé sur λ² : ~1016 W/cm2)
Pcrête
Les Bases
Pmoy
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
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
Différents types de lasers
z
z
z
z
z
Lasers à Gaz
Lasers à liquide (colorants)
Lasers Solides
Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs
ou diodes laser
l’optique non linéaire : comment changer la
couleur d’un laser ?
Types de
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Différents types de lasers
z
z
z
z
z
Lasers à Gaz
Lasers à liquide (colorants)
Lasers Solides
Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs
ou diodes laser
l’optique non linéaire : comment changer la
couleur d’un laser ?
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à Gaz
z
Visible
z
z
z
z
Infrarouge
z
z
z
Lasers à
gaz
Laser à Argon ionisé
Laser à Krypton ionisé
Laser He-Ne
Laser CO2
Lasers Chimiques HF
Ultraviolet
z
Laser Excimère
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à Gaz
z
Visible
z
z
z
z
Infrarouge
z
z
z
Lasers à
gaz
Laser à Argon ionisé
Laser à Krypton ionisé
Laser He-Ne
Laser CO2
Lasers Chimiques HF
Ultraviolet
z
Laser Excimère
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser He-Ne
z
z
Premier laser à gaz réalisé (JAVAN 1960)
Principe : pompage par décharge électrique
+ transfert d’énergie entre l’Helium et le Néon
3s
2s
1s
Lasers à
gaz
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser He-Ne
z
La transition la plus connue est à 633 nm
z
Lasers à
gaz
Très utilisée pour l’alignement (faible puissance)
TEM00, polarisé, faible puissance (qql mW)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à gaz ionisé
Milieu actif = gaz ionisé (Ar, Kr…)
z Pompage = décharge électrique
z
zArgon
: 364 nm, 488 nm, 514 nm
zKrypton
Lasers à
gaz
: 647 nm (+ autres raies visibles)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à gaz ionisé
z
z
z
Fortes puissances possibles (20 W CW classique)
Refroidissement par eau (fortes puissances) ou
par air
Encombrants et rendement electrique-optique
faible (<0,01%)
Refroidissement par eau
Lasers à
gaz
Refroidissement par air
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à gaz ionisé
Argon : 364 nm, 488 nm, 514 nm
z Krypton : 647 nm (+ autres raies visibles)
z Utilisés par exemple pour les shows laser
z
Argon
Lasers à
gaz
Argon + Krypton
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à Gaz
z
Visible
z
z
z
z
Infrarouge
z
z
z
Lasers à
gaz
Laser à Argon ionisé
Laser à Krypton ionisé
Laser He-Ne
Laser CO2
Lasers Chimiques HF
Ultraviolet
z
Laser Excimère
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser CO2
z
z
z
Moyen IR (9.6 et 10.6 µm)
Très grandes puissances possibles (100 kW CW)
Marché industriel énorme : découpe/soudure
des matériaux
Lasers à
gaz
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser CO2
z
z
z
Transition entre 2 niveaux vibrationnels de la
molécule de CO2
Pompage par décharge électrique ou RF
Excitation des molécules de CO2
z
z
Lasers à
gaz
Collisions avec les molécules de N2
Collisions inélastiques avec des électrons de faible
énergie (5 eV)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser CO2
Lasers à
gaz
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à vapeur de cuivre
Laser visible impulsionnel de forte puissance moyenne
Milieu amplificateur : mélange de néon et de vapeur de cuivre
Longueurs d’onde : 510 nm (vert) et 578 nm (jaune)
Application : pompage de lasers à colorant pour le
procédé SILVA (Séparation Isotopique par Laser en
Vapeur Atomique)du CEA (enrichissement de
l’uranium en isotope U235 par photo-ionisation
sélective vers 625 nm) – maintenant abandonné.
Lasers à
gaz
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à Azote (N2)
Milieu amplificateur : Azote gazeux, statique ou en flux
Pompage électrique
Emission dans l’UV (337.1 nm)
Uniquement pulsé (ns)
Laser bon marché, puissant (Pcrête = qql MW)
Peu efficace (rendement = 0.1%)
Lasers à
gaz
Effet laser obtenu à partir
de l’Azote atmosphérique
par décharge électrique :
(Pas de cavité !)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers chimiques
z
Ex : le laser HF/DF (Hydrogène-Fluor ou Deuterium-Fluor)
L’ inversion de population est produite, par une réaction chimique
exothermique dans le milieu amplificateur.
Ces réactions produisent des molécules excitées (l’inversion de population est
donc automatique) à des niveaux de vibrations élevés, qui en se désexcitant,
peuvent émettre de la lumière cohérente dans la gamme 3-5 µm.
Application
principale:
domaine militaire
(arme anti-missile
ou antisatellite).
Ex: laser MIRACL (US
army) :
Aire faisceau = 14
cm2 et Puissance =
2,3 MW.
Lasers à
gaz
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
“Application” des lasers chimiques
• Lasers très volumineux, souvent “monocoup”
• application exclusivement militaire : destruction de
missiles
Lasers à
gaz
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
The “airborne laser program”
But : détruire les missiles le plus tôt possible après leur lancement
- 7 Boeing 747 équipés (un laser chimique + lasers de pointé), 5
en vol en permanence
Projet lancé par le Pentagone en 1996 pour se terminer…en 2006
Lasers à
gaz
En fevrier 2006 : déclassé au titre de programme expérimental
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers à Gaz
z
Visible
z
z
z
z
Infrarouge
z
z
z
Lasers à
gaz
Laser à Argon ionisé
Laser à Krypton ionisé
Laser He-Ne
Laser CO2
Lasers Chimiques HF
Ultraviolet
z
Laser Excimère
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers excimères
z Ex
: les lasers ArF, KrF, XeCl, XeF…
Ces excimères (excited dimers) ont des états excités stables et des états
fondamentaux instables.
L’excitation (par decharge electrique) produit automatiquement une
inversion de population (la population dans le niveau fondamental est par definition nulle !).
Emission dans l’UV
F2
ArF
KrF
XeCl
XeF
(principales raies à 157,193, 248, 308, 351 nm)
Fonctionnement pulsé seulement (µs à ps)
Applications : Biologie, Médecine, découpe,
lithographie pour la microélectronique…
Lasers à
gaz
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Différents types de lasers
z
z
z
z
z
Lasers à Gaz
Lasers à liquide (colorants)
Lasers Solides
Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs
ou diodes laser
l’optique non linéaire : comment changer la
couleur d’un laser ?
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser à Colorant
Le milieux actif est un colorant organique fluorescent, en solution dans un
liquide.
Le pompage se fait optiquement (par un autre laser)
- intérêt majeur : ils sont accordables.
- Tout le spectre visible peut être balayé par des lasers à colorant.
Ces lasers sont peu pratiques (remplacement régulier du colorant,
produits toxiques…) et sont surtout utilisés pour la recherche
Colorant
Laser à colorant pompé optiquement par un laser à argon
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser à Colorant
Longueurs d’ondes accessibles
avec différents colorants :
Accordabilité (pour un
colorant donné) obtenue
avec un reseau intracavité
par ex.
Colorant
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Différents types de lasers
z
z
z
z
z
Lasers à Gaz
Lasers à liquide (colorants)
Lasers Solides
Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs
ou diodes laser
l’optique non linéaire : comment changer la
couleur d’un laser ?
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers Solides
z
Définition:
-
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…
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les lasers Solides
Croissance des cristaux :
Méthode Czochralski
Taille maxi obtenue en labo : monocristal de 15 cm de diamètre
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser Nd:YAG
Nd3+:Y3Al5O12
4S
3/2
Niveaux d’énergie supérieure
(peuplés par le pompage)
-- 4F7/2
4F
5/2
Décroissance rapide
non radiative
-- 3H9/2
Bandes de
pompage
4F
0,73 µm
4I
9/2
Lasers
Solides
Niveaux d’énergie supérieure
(métastable)
3/2
τr = 240 µs
0,808 µm
4I
15/2
4I
13/2
4I
11/2
1444 nm
1064 nm
946 nm
Etat fondamental
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser Nd:YAG
Pompage par lampe flash ou par diode laser
(Lasers de forte puissance)
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par flash
cavité réfléchissante
Barreau
laser
faisceau laser
lampe flash
Flashs et barreaux aux foyers de 2
réflecteurs elliptiques
source de tension
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le laser Ti:Sa
z
Principal laser solide accordable
Ti3+: Al2O3
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage d’un laser Ti:Sa
Pompage par diodes laser
IMPOSSIBLE (il n’existe pas de diodes
laser vertes de puissance)
Nd:YAG 2ω
Pompage par un autre laser : Argon
ou laser solide doublé en fréquence
Argon
Le rendement et la compacité
totale sont donc médiocres
Spectre d’émission très large :
Lasers
Solides
•
Accordabilité étendue
•
Possibilité de générer des impulsions ultracourtes (laser
à verrouillage de modes – limite théorique Ti-Sa = 4 fs)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Différents types de lasers
z
z
z
z
z
Lasers à Gaz
Lasers à liquide (colorants)
Lasers Solides
Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs
ou diodes laser
l’optique non linéaire : comment changer la
couleur d’un laser ?
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe
ELECTRON DANS UN SOLIDE : DIAGRAMME
DES BANDES D’ENERGIE
bande de conduction
bande de conduction
Eg=gap
Ef
Ef
{
bande de valence
bande de valence
bande de valence
bande pleine
bande pleine
bande pleine
ISOLANT
Diodes
lasers
kT~Eg
bande de conduction
SEMICONDUCTEUR
}
METAL
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe
SEMICONDUCTEURS
DOPÉS
électron
supplémentaire
mobile
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
électron
= trou
manquant
mobile
Diodes
lasers
Si
Si
Si
Si
Si
V
Si
Si
Si
Si
Si
Si
excès
d’électrons
semiconducteur dopé n
Si
Si
Si
III
Si
Si
Si
électron
manquant
Si
Si
Si déficit
d’électrons
Si
ou excès
Si de trous
semiconducteur dopé p
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe
STRUCTURE DE BANDES
Tension appliquée,
création d’un courant
d’électrons et de trous
émission de lumière
Sans champ appliqué
semiconducteur
jonction
dopé p
semiconducteur
dopé n
recombinaison des
électrons et des tro
Bande de
conduction
Ef, C
électrons
Ef
Ef, V
trous
Photons
Bande
de valence
Diodes
lasers
Le silicium massif ne peut pas émettre de lumière (SC
à gap indirect) : les SC utilisés pour les diodes laser
sont à gap direct : GaAs, InGaAs, AlGaAs etc.
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe
DOUBLE HÉTÉROJONCTION
npetit gap > ngrand gap
•Confinement des photons
•Confinement des porteurs
(électrons et trous)
(dans la direction verticale. Horizontalement : ruban)
Grand Gap
Petit Gap
« entonnoir à électrons »
Diodes
lasers
d
Indice de réfraction
d
Grand Gap
GaAlAs
GaAs
GaAlAs
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe
Puits quantiques
AlSb
InAs
AlSb
Conduction band
quantum well
Energy
V(z)
E2
E1
AlAs
AlAs
G aAs
Valence band
quantum well
Position z
Croissance
Diodes
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe
Principe : accoler deux materiaux différents
Attention : les paramètres de maille doivent être compatibles !
Exemple : GaAs = AlAs = 5.63Å
AlAs
GaAs
Bande de
Conduction
AlAs
EG= 2.2eV
AlAs
EG= 1.43eV
Bande de
Valence
Bande de
Valence
Diodes
lasers
GaAs
Bande de
Conduction
Puits quantique =
double héterostructure
de petite taille (nm)
Le puits quantique est la
brique de base de
l’ingénierie quantique
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe
ARCHITECTURES DES DIODES LASER
+
Métal
couche
active
dopée p
+
Métal
+
Métal
P
SiO2
SiO2
couche
active
dopée p
N
couche
active
dopée p
P
N
N
P
Métal
N
n
_
N
Métal
Métal
_
_
Diodes
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Technologie
TECHNIQUE DE CROISSANCE : MBE
Epitaxie par Jet Moléculaire
High Vacuum
chamber
Al
GaAs
Substrate
Ga
AlAs
GaAs
As
Diodes
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Propriétés des diodes laser
Section émettrice: de 1µm x 3µm (faible puissance) jusqu’à 1
µm x plusieurs centaines de µm de longueur
Divergence : 10°x 30° (FWHM) environ
Puissance : de qq mW à 200 mW avec un faisceau de même
qualité qu’un laser
Pour des puissances > 200 mW : faisceau + divergent qu’un
faisceau laser de même taille
Problème : un tel faisceau ne peut plus être focalisé sur une
tache de diffraction de taille ~λ²
Efficacité de conversion électrique-optique : 30 à 50 %
Durée de vie (10 000 heures)
Les Performances (seuil, longueur d’onde, efficacité,
durée de vie) dépendent de la température
Diodes
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Propriétés
Profil spatial en champ lointain
plan ⊥ jonction (axe « rapide »)
limité par la diffraction
λ : faisceau très
≅ 30°
⊥ =2
divergent,δθ
profil
gaussien
πd
plan // jonction (axe « lent »)
ŒSelon
le type de guidage réalisé et la
largeur de la couche active
δθ // ≅ 10°
Faisceau elliptique & divergent
Diodes
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Propriétés
Couplage dans une fibre optique
vue de dessus du couplage direct d’une diode laser
avec une fibre lentillée
Diodes
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Contrôle spectral
AFFINEMENT SPECTRAL ET ACCORDABILITÉ
Milieu
actif
Traitement
AR
Mirroir
de sortie
Miroir de fond
de cavité (réseau)
Cavité externe
réseau
Distributed feedback (DFB)
Optique de
collimation
Milieu
actif
Milieu
actif
Miroir de fond
de cavité (réseau)
Mirroir
de sortie
Distributed Bragg Reflector (DBR)
Diodes
lasers
Applications : télécommunications (DWDM) et spectroscopie
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Diodes de puissance
Diodes MONORUBAN : L’épaisseur de la jonction est de 1 µm (constante) Î pour augmenter la
puissance il faut augmenter la largeur de la section émettrice de 3 µm à 500 µm
Problème : Faisceau non limité par diffraction
BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE
Puissance de 40 à 60 W continue à 808 nm (AlGaAs) ou
entre 940 et 980 nm (InGaAs)
20 à 40 mono-émetteurs sur 1 cm de long, facteur de remplissage : 50 %
Pas de cohérence entre la lumière émise par chaque émetteur
Divergence : 40 ° (direction perpendiculaire à la jonction, 1 µm)
10 ° (direction parallèle à la jonction, 1 cm)
M2 = 1000 (//) par 1 ( )
Diodes
lasers
Emission très dissymétrique !!!
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Diodes de puissance
BARETTES DE DIODES LASER DE PUISSANCE
Assemblage de diodes laser
émettant une puissance crête
de 1.6 KW
Diodes
lasers
Livermore (LLNL)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Diodes de puissance
Diodes de puissance FIBREES
OPTO POWER
Diode laser continue
AlGaAs fibrée de 20 W
@ 808 nm
(base des lasers solides pompés
par diodes de Spectra Physics)
Diodes
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Diodes de puissance
Problème majeur :
Figure de Mérite =
Augmentation de la puissance
Baisse de la luminance
puissance
surface émettrice x divergence
= luminance (“brightness”, brillance)
diode monomode spatial: 100 mW
diode monomode spatial : 1W
diode multimode : 1 W (1µm per 100 µm)
barrettes de diodes: 20 W (1µm par 1 cm)
diode fibrée: 15 W (600 µm, ON 0,2)
--> 40 MW/cm2.rd2
--> 400 MW/cm2.rd2
--> 10 MW/cm2.rd2
--> 1 MW/cm2.rd2
--> 100 kW/cm2.rd2
(laser CO2 de 1 kW --> 100 MW/cm2.rd2)
Diodes
lasers
--> Remise en forme: - utilisation directe en usinage des matériaux
- pompage optique de lasers solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Contrôle spatial
Barrettes de diodes : rayonnement très dissymétrique
Remise en forme du faisceau nécessaire
Deux Exemples : (il existe
moultes autres méthodes)
Lens duc
Stack de diodes
InGaAs
Lentilles cylindriques
de collimation
Diodes
lasers
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications
z
Pour les diodes de faible puissance :
z
z
z
z
z
Pour les diodes de forte puissance :
z
Diodes
lasers
Telecoms (λ~1,55 µm)
Spectroscopie (détection de polluants…)
Lecteurs/graveurs de CD/DVD
Imprimantes Laser
Pompage des Lasers Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Une diode laser pour pomper un autre laser ?
z
Pourquoi ?
z
Plus compact et plus fiable
z
Plus efficace
z
z
Recouvrement spectre diode/bandes d’absorption du cristal
z
Rendement électrique/optique: jusqu’à 15% à la prise pour un laser
solide pompé par diode
Faisceau “limité par diffraction” (i.e. que l’on peut focaliser sur la plus
petite surface théoriquement accessible : λ²)
z
Diodes
lasers
Inconvénients :
z
Tous les matériaux solides ne sont pas « pompables » par
diode : limite le choix en longueur d’onde (dans l’infrarouge
autour de 1 µm principalement)
z
Contrôle de la température nécessaire
z
Assez cher !
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Système diode + Laser
un convertisseur de mode spatial
- pompe multimode transverse --> émission monomode
un convertisseur de fréquence
- transformation du caractère multimode de la pompe en un faisceau
monofréquence (par injection ou filtrage)
Diodes de pompage
multimodes spatiales
Milieu à gain
Lasers
Solides
Faisceau laser monomode transverse
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Faible puissance
Nd:YAG Polariseur
Coherent
Puissance de sortie : 0,5 W
Diode de pompage
@ 808 nm
Forte puissance
Miroir Rmax
P = 13 W cw, TEM00
Nd:YVO4 : plus forte
absorption que le Nd:YAG
Ppompe = 26W
Barette de diode
laser fibrée
20 W @ 808 nm
Miroir de sortie
T = 18 %
Lasers
Solides
Spectra Physics
Nd:YVO4
Barette de diode
laser fibrée
20 W @ 808 nm
Gestion des effets thermiques !!!
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
LE PREMIER LASER SOLIDE POMPÉ PAR DIODES
Keyes and Quist
Fonctionnement à l’azote liquide (77°K)
Lasers
Solides
(Appl. Phys. Lett 4, p. 50, 1964)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
CONFIGURATIONS DE POMPAGE
Pompage longitudinal
Cristal
Diode de
pompe
Miroirs de la cavité
- bon recouvrement entre le faisceau de pompe et
le faisceau intracavité
- faisceau de bonne qualité spatiale
- diode de pompage de forte luminance
- la puissance de pompe est limitée
- seuil de dommage des faces d’entrée
Pompage transverse
Cristal : barreau (rod)
ou plaque (slab)
Lasers
Solides
Diode de pompe
- diodes de pompage de forte puissance
ou énergie
- meilleur gestion de la thermique
- diode de pompage de faible luminance
- faisceau de moins bonne qualité
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Exemple d’architecture:
lentille
Nd:YAG Polariseur
Diode de pompage
@ 808 nm
Lasers
Solides
Exemples de pompage longitudinal
(le faisceau de diode et le faisceau
laser sont colinéaires)
Coherent
Puissance de sortie : 0,5 W à 1064 nm
Pompage longitudinal
Exemple de pompage
transverse (le barreau est
pompé de côté : pour les
lasers de puissance)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Pompage longitudinal
Un exemple d’application : les Microlasers
Principe : les miroirs de la cavité sont déposés directement sur le cristal
•
•
•
pas d’alignement et des désalignement de la cavité
assemblage monolithique
possibilité de fonctionnement monomode
Cristal : Nd:YAG (qql mm)
faisceau à 1,064 µm
Diode de
pompage @ 808 nm
Lasers
Solides
Miroirs de la cavité
Entrée HT @ 808 nm, HR @ 1064 nm
Sortie HR @ 808 nm, T= 5 % @ 1064 nm
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Pompage longitudinal
Un exemple d’application : les Microlasers
Substrat de Nd:YAG
Φ= 25 mm, 0,5 - 1,5 mm
Polissage
Épitaxie en phase liquide d’une
couche de Cr4+:YAG
100 - 150 µm
Polissage du Cr4+:YAG, 30 - 50 µm
Dépots des miroirs
Découpage des microlasers 1 x 1 mm2
Lasers
Solides
Production de masse : Bas coût
> 200 microlasers sur un substrat de 1 pouce
de diamètre (25,4 mm)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Pompage longitudinal
Microlaser impulsionnel
Volume total : 1mm3
Cristal : Nd:YAG
faisceau à 1,064 µm
Diode de
pompage @ 808 nm
Application : pointeurs lasers verts
Lasers
Solides
Absorbant saturable
Cr4+:YAG (30-50 µm)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Pompage longitudinal
Lasers
Solides
Système RGB :
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Pompage transverse
Un exemple d’application
Pour le développement de lasers Nd:YAG de forte puissance pompés par des barettes ou des stacks
Barreau
(adapté aux barettes)
Pompage
configuration “zigzag”
plaque pour les stacks
miroir de
fond de cavité
Pompage
Gestion de la thermique
(homogénéisation)
Miroir
de sortie
1. barreau Nd:YAG
2. faisceau laser
3. miroir de sortie
4. barette de diodes
5. optique de collimation
6. miroir Rmax
7. refroidissement
8. alimentation électrique
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Pompage transverse
Un exemple d’application
Ultra-forte puissances : configuration MOPA
(Master Oscillator-Power Amplifier)
Laser “infinity” de Coherent®
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Pompage transverse
Un exemple d’application
Ultra-forte puissances : configuration MOPA
Optique de conjugaison
des deux barreaux de Nd:YAG
Amplificateur
Cristaux
non linéaires
(BaB2O4)
Miroir à conjugaison
de phase
Laser solide pompé
par diode
Lasers
Solides
Isolateur optique
(rotateur de Faraday)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
Pompage transverse
Un exemple d’application
Ultra-forte puissances : configuration MOPA
(Master Oscillator-Power Amplifier)
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pompage par diode
z
Le “Thin disc laser” ou disque mince
Brevet de l’Université de Stuttgart
Miroirs de
la cavité
-Pompage « recyclé » :
Multiple-réflexions pour le faisceau
de pompe dans le cristal
- Cristal mince pour un refroidissement
efficace
Miroirs
Sphériques pour
la pompe
Miroir plan
Bundle de
diodes fibrées
Lasers
Solides
Cristal Yb:YAG
et refroidissement
à basse T°
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les Lasers à fibre
z
Le milieu amplificateur est une fibre
optique dopée avec des ions terres rares
(Erbium et/ou Ytterbium essentiellement)
z
z
Compacité, souplesse, robustesse
La cavité peut être très longue
z
z
Répartition des effets thermiques
Fortes puissances avec bonne qualité spatiale
Pompe
λs
λp
λs
Oscillation à λs
Lasers
Solides
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les Lasers à fibre
Cavité:
Miroirs type Bragg
Excitation UV extérieure
(Ex : Laser Excimere, cf plus loin)
Miroir basé sur un
principe interférentiel
Masque de phase
Très sélectif en
longueur d’onde
n
Lasers
Solides
Fibre optique
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les Lasers à fibre
Effets Non-Linéaires : très présents car les densités de
puissance sont fortes (diamètre fibre = qql µm)
Problème : Limitent la puissance accessible avec une
bonne qualité spectrale
Avantage : Nouvelles longueurs d’ondes Î Laser Raman
Effet Raman Î décalage de la λ de ∆λ
Ex :
Laser dans
la fibre
Lasers
Solides
Milieu amplificateur: Fibre dopée au
phosphore
λ λ λ
λ
λ λ λ
s1
s2
s3
p
s3
s2
s1
100%
100%
100%
100%
100%
100%
80%
3 stokes en
cascade
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les Lasers à fibre
Le pompage : Comment injecter une diode de puissance
(multimode) dans une fibre optique monomode ?
Une solution : fibre à double coeur
Gaine silice haut indice
Polymère
Fibre silice
dopée Yb
monomode
Gaine polymère
bas indice
Fortes puissances possibles !
Lasers
Solides
Le Futur : fibres photoniques…
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Différents types de lasers
z
z
z
z
z
Lasers à Gaz
Lasers à liquide (colorants)
Lasers Solides
Un cas à part : les lasers à Semiconducteurs
ou diodes laser
l’optique non linéaire : comment changer la
couleur d’un laser ?
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Optique NON linéaire
ONL
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Origine de la nonlinéarité
z
z
z
ONL
Les électrons des atomes oscillent à la fréquence
du champ électrique de l’onde
Les électrons en mouvement rayonnent un champ
(comme une antenne) de même fréquence :
phénomènes de propagation, réfraction,
diffusion… usuels
Si les électrons sont “trop secoués” (par un champ
intense), le déplacement du centre de masse du
nuage électronique n’est plus sinusoïdal (comme
un ressort qu’on a tiré trop fort) : il apparait des
fréquences nouvelles dans le champ rayonné par
l’atome
(par ex ici dans un cristal non centrosymétrique
où le déplacement du nuage ne se fait plus de
façon symétrique)
-
Nuage
électronique
noyau
noyau
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
En pratique
•Très utilisé pour convertir le rayonnement infrarouge (très facile à
obtenir) en rayonnement visible et UV (pas de cristaux émettant
directement dans l’UV) : la plupart des lasers solides visibles et UV du
commerce sont en fait des lasers infrarouges suivis de cristaux nonlinéaires
Ex : les pointeurs laser verts
ONL
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Autres applications
Laser “blanc” (continuum) obtenu à
partir d’un laser monochromatique
dans une fibre optique présentant de
très fortes nonlinéarités
Système RGB (laser
rouge, vert, bleu) pour
le cinéma ou la
télévision laser :
ONL
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
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
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
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
Mode déclenché : Q-switch
Principe:
Augmentation artificielle des pertes durant le pompage :
L’inversion de population et donc le gain sont maximisés.
Le milieu amplificateur agit comme un réservoir d’énergie.
Lorsque le gain APPROCHE les pertes, on ramène la
cavité dans son état « normal » (pertes faibles).
L’oscillation s’établit rapidement et on a une impulsion
brève et intense.
Le processus est répété pour générer l’impulsion
suivante.
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Évolution d’un laser à mode déclenché
Pertes
Niveau haut
Niveau bas
Temps t
On s’arrange pour obtenir des pertes élevées dans la cavité.
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Évolution d’un laser à mode déclenché
Pertes
Gain
Niveau haut
Niveau bas
Temps t
On pompe le milieu amplificateur jusqu’à ce que le
gain approche les pertes.
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Évolution d’un laser à mode déclenché
Pertes
Gain
Niveau haut
Niveau bas
Temps t
On abaisse les pertes de façon quasi instantanée.
Q-switch
L’inversion de population est alors massive : le niveau
supérieur, en se « vidant » brusquement, provoque la
création d’une impulsion géante.
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Évolution d’un laser à mode déclenché
Impulsion laser
Pertes
Gain
Temps t
Le gain diminue brutalement et retourne rapidement à un
niveau inférieur aux pertes : c’est la fin de l’impulsion …
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Conditions nécessaires au Q-switch
(1) Le temps de vie du niveau supérieur doit être plus grand que
le temps de l’établissement de l’oscillation dans la cavité.
τ2>ts
(2) La durée du pompage doit être plus grande ou égale au
temps de vie du niveau supérieur.
Tp≥τ2
(3) Les pertes dans la cavité doivent être suffisamment grandes pour
ne pas avoir d’oscillations durant le pompage.
(4) Les pertes doivent redescendre à leur état « normal » de façon
quasi instantanée pour ne pas perdre d’énergie emmagasinée.
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le déclenchement Passif
Utilisation d’absorbants saturables :
Materiaux non-linéaires opaques sous faible
éclairement et transparents sous fort éclairement
I
T.I
T
1
I
Exemple : SESAM
(SEmiconductor Saturable
Absorber Mirror)
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le déclenchement Passif
T
Utilisation d’absorbants saturables :
Materiaux non-linéaires opaques sous faible
éclairement et transparents sous fort éclairement
I
Donc :
•Pas d’impulsion Î materiau opaque Î pertes élevées
•Début d’impulsion Îmateriau transparent Îpertes diminuent Î
impulsion plus forte Î pertes diminuent encore…
Le déclenchement se fait automatiquement, sans intervention
exterieure autre que le pompage :
• Simple, économique
• Problème de contrôle des impulsions (jitter)
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le déclenchement actif
V
Cellule Pockels
Milieu amplificateur
Cellule de Pockels : cristal électro-optique qui joue le rôle d’une
« porte de polarisation ». C’est une porte commandée par une haute
tension. Porte fermée = pertes infinies ; porte ouverte = pertes faibles (normales)
On choisit ainis le moment de création de l’impulsion en basculant la tension V
Données typiques des lasers déclenchés (“Q-switched
lasers”) :
- Durée de l’impulsion : ~ 1 à 100 ns
Q-switch
- Cadence : de quelques Hz à 100 kHz
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications médicales des lasers
déclenchés
z
Ophtalmologie
z
z
LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue).
Utilisation d’un Laser Excimère impulsionnel (UV)
Q-switch
http://www.lasik.asso.fr/?q=node/320
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications médicales des lasers
déclenchés
Resurfaçage de la cornée assisté
par ordinateur (précision 0.25 µm)
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications médicales des lasers
déclenchés
z
Effacement des tatouages
z
z
Laser adapté au pigment que l’on veut retirer
Lasers Impulsionnels (Q-switched)
Chromophore
Bleu/Noir
Alexandrite
(755 nm)
Nd:YAG Nd:YAG
(1064 nm) (532 nm)
AVANT
APRES
Vert
Rouge
Orange
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications médicales des lasers
déclenchés
z
Epilation Laser (quasi-définitive)
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Traitement des matériaux
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Traitement des matériaux
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Traitement des matériaux
Objet obtenu par un phénomène
de cavitation (vaporisation très
locale du verre au foyer du laser)
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Forte Puissance
z
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
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Forte Puissance
z
Processus :
Approche indirecte
Energie nécessaire estimée ~2 MJ pendant 5 ns
Nécessite des lasers de puissances énormes !
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Forte Puissance
Laser megajoule (en construction à Bordeaux) / National Ignition Facility (en construction au
Lawrence Livermore National Laboratory en Californie)
z
Objectifs
z
z
z
z
Solution
z
z
Energie : 1.8 MJ
Durée effective : 3-5 ns
Longueur d’onde : Ultra-Violet
Uniformité : mieux que 1 % sur la cible
Laser solide (verre dopé Nd, 1053 nm,
pompé par lampes
Conversion de fréquence 3ω
240 (192) faisceaux de 40 x 40 cm² au
LMJ (NIF, resp.)
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
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
Q-switch
• 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)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Tout est démesure…
Cristaux nonlinéaires
Milieu amplificateur
(verre dopé néodyme)
Flashs pour le
pompage des
verres dopés
Chambre
d’expérience
Cellule de
Pockels
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Forte Puissance
z
Les amplis et le transport des faisceaux :
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Forte Puissance
z
La chambre d’expérience
Projet Megajoule
Q-switch
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
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
Le verrouillage de modes
“mode locking”
• technique du Q-switch : la durée des impulsions est au minimum
égale au temps mis par les photons pour faire un aller-retour dans la
cavité : durée minimale ~ ns
• Pour des durées plus courtes (par ex 100 fs), la durée de l’impulsion
n’est plus infiniment grande devant la période lumineuse
Ex : à λ = 800 nm, T= λ/c = 2,6 fs :
une impulsion de 100 fs contient
donc seulement 40 périodes
→ le spectre d’une impulsion
courte n’est donc pas
monochromatique
(transformation de Fourier)
Mode-Lock
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Modes longitudinaux
http://nano.jyu.fi/summerschool06/lectures/Baumert2.ppt
Gain
Boundary
Condition:
Allowed Modes:
Mode Distance:
Mode-Lock
= const.
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le verrouillage de modes
Mode-Lock
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le verrouillage de modes
Mode-Lock
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Addition de modes en phase
Additionnons N sinusoides de fréquences ν 0 ,ν 0
+ δν ,ν 0 + 2δν , K,ν 0 + ( N − 1)δν
δν
Intensity
Champ électrique total :
Supposons les modes
en phase et de même
amplitude :
ν0
νn
Frequence
Fréquence centrale
Mode-Lock
(pour le montrer : passer par les exponentielles
complexes : c’est une simple suite géométrique)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Addition de 1,2,4,6 modes en phase
battements
Puissance crête :
Durée des impulsions :
Nombre de
modes
Mode-Lock
Écart entre
deux modes
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le verrouillage de modes
Mode-Lock
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Verrouillage de modes
∆ν
Résumé :
fréquence
C/2L
Pour faire des impulsions courtes il faut :
- Beaucoup de modes (N grand) : matériau laser avec une large
bande d’amplification (Titane-saphir, colorant, erbium…)
- la durée des impulsions ne dépend que de la largeur de la
courbe de gain si tous les modes sont en phase : ∆t
= 1/∆ν
- ex : ∆t (Nd:YAG) ≈ 10 ps ; ∆t (Ti:Sa) ≈ 10 fs
Mode-Lock
- la cadence ne dépend que de la longueur de la cavité f = c/2L
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Comment faire ?
Principe : favoriser le fonctionnement impulsionnel
par rapport au fonctionnement continu
Il faut donc que pertes (continu) > pertes (pulsé)
Exemple : Utilisation de l’effet Kerr
n = n0+n2.I
Indice plus fort si I plus fort
Effet de lentille dû au
profil gaussien du faisceau
laser
Regime continu (faible Intensité, n = constant)
Mode-Lock
Fortes pertes !
diaphragme
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Comment faire ?
Principe : favoriser le fonctionnement impulsionnel
par rapport au fonctionnement continu
Il faut donc que pertes (continu) > pertes (pulsé)
Exemple : Utilisation de l’effet Kerr
n = n0+n2.I
Indice plus fort si I plus fort
Effet de lentille dû au
profil gaussien du faisceau
laser
Regime Pulsé, I très grand
Mode-Lock
Pertes Faibles !
diaphragme
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Exemple : le laser Titane-saphir
Nd:YAG 2ω
Argon
∆λ ~ 400 nm !
(∆ttheo~5 fs)
Pompage par diodes
laser IMPOSSIBLE (il
n’existe pas de diodes
laser
vertes
de
puissance)
Laser pompé en continu (quelques W) avec un
laser vert (argon à 488 nm ou Nd:YAG suivi d’un
cristal doubleur pour générer un faisceau à 532 nm)
Typiquement : ~1W à 100MHz durée 100 fs soit 100
kW de puissance crête (10 nJ/impulsion)
Ti3+: Al2O3
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Impulsions femtosecondes
Interêts :
•Etude de phénomènes ultrarapides (ex: dynamique
des protéïnes
•Physique des hautes intensités (Pcrête=E/durée)
•Génération de nouvelles fréquences (effets non
linéaires importants)
Génération de Continuum
Projet Teramobile
Mode-Lock
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Traitement des matériaux
•Usinage Athermique
•Impulsions fs (ultra brèves)
•Champ éléctrique très élevé
•Arrachement des électrons des couches externes
•Création d’ions positifs qui se repoussent
•Ejection de matière sans échauffement
Mode-Lock
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Traitement des matériaux
•Usinage Athermique
•Impulsions fs (ultra brèves)
•Champ éléctrique très élevé
•Arrachement des électrons des couches externes
•Création d’ions positifs qui se repoussent
•Ejection de matière sans échauffement
Mode-Lock
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Laser fs en médecine
z
Alternative au LASIK : le laser femtoseconde
Mode-Lock
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Chaîne femtoseconde
Intérêt majeur des impulsions fs : Pcrête très élevée car l’énergie
apportée par la pompe (souvent continue) se trouve concentrée pendant des
durées très brèves
(ex : 10 fs, 1W, 100 MHz Î 1 MW)
Î Impossible à amplifier directement sans exploser le milieu amplificateur !!!
100 MW
1 MW
Ampli x100
Solution : “Chirped Pulse Amplification” (amplification
d’impulsions étalées spectralement)
= tirer parti du fait que l’impulsion a un
spectre large
Mode-Lock
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe CPA
Laser Ti-Sa faible
puissance
(fs)
(ns)
(fs)
Mode-Lock
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Lasers ultra-Intenses
Ex : Chaîne Ti-Sa (Japon, 2003)
1 PetaWatt = 1015 W
0.85 PW (850 trillions de Watts…), 33 fs
La chaine 100 TW du LULI
Mode-Lock
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La physique de l’extrême…
z
“Fast ignition” : coupler un laser Petawatt (fs)
avec un laser megajoule (ns) pour accélérer la
fusion thermonucléaire
z
en focalisant le laser PW on peut atteindre des
densités de puissance jamais atteintes
~1021 W/cm² : simulation des conditions extrêmes
régnant au coeur des étoiles
Mode-Lock
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La physique de l’extrême…
Mode-Lock
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Conclusion
À méditer :
“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”
Phrase devenue célèbre attribuée à Pierre Aigrain,
ancien secrétaire d’état à la recherche, chercheur
et membre de l’académie des sciences, peu après
1960 (date de l’invention du laser)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
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