émission

Le Lycée Montaigne,
l’Aquitaine et la mutation historique
des technologies optiques
Professeur André Ducasse
Directeur Général de l’Institut d’Optique
Directeur de l’École Supérieure d’Optique
Une mutation technologique
en marche
• La découverte des lasers et la révolution optique
• Des précurseurs de cette découverte :
Charles Fabry, Alfred Kastler et le Lycée
Montaigne
• L’Université Bordeaux I : un Centre important de
développement des lasers et de leurs applications
• Le programme Laser MégaJoule au CEA/DAM en
Aquitaine : une extraordinaire opportunité
économique et scientifique pour la Région
Plan de l’exposé
• Le laser dans l’histoire des technologies optiques
• Charles Fabry : un précurseur pour les cavités
optiques lasers
• Alfred Kastler : un précurseur pour les milieux
amplificateurs lasers
• L’explosion du champ d’applications des
technologies lasers
• Les opportunités pour le développement d’un pôle
optique fort en Aquitaine
L’optique, c’est
la science et l’ingénierie de l’émission, la
manipulation, la transmission et la détection de
lumière, donc de photons («photonique»)
photon
émission
manipulation
transmission
détection
L’évolution des technologies optiques
• Une utilisation très ancienne de « composants »
optiques : les miroirs d’Archimède (212 av. J.C.)
• Le 17ème siècle : un âge d’or pour les
technologies
• la découverte des microscopes optiques :
Loeuvenbrook ou Zacharias Jansen (1590)
• la lunette de Galilée et l’observation des
planètes (1609)
• les débuts de la spectroscopie : la
décomposition des couleurs par un prisme :
Newton (1666)
• La spectroscopie et la découverte du monde
microscopique : fin 19ème-début 20ème s.
– Spectroscopie et structure atomique : Balmer,
Rutherford, Bohr
– Le développement d’interféromètres
performants : Michelson, Fabry
• Une révolution en optique : la découverte des
lasers (1958) : Townes-Schawlow, BasovProkhorov
• Un vecteur essentiel pour le transport de la
lumière : les fibres optiques : Kao (1966) Bell Labs
Le Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
un oscillateur du domaine optique
L’invention en 1958 : Townes-Schawlow, BasovProkhorov
Les premiers lasers : 1960 Maiman, Javan
1980 : l’extension des applications hors laboratoires
le développement du transport par fibre optique
1990 : la prise de conscience d’un véritable
phénomène de société
Une rupture technologique majeure pour la Physique
Énergie
E1
E2 > E1
Faisceau
de sortie
Amplificateur
Ensemble de 2 miroirs
résonateur linéaire
Laser linéaire
Amplificateur + résonateur linéaire
Fonctionnement multimode du laser
• Modes résonnants de la cavité (ou résonateur)
• Milieu amplificateur
• Laser
Les processus interaction onde-matière
E2
hν
E1 Absorption
E2-E1 = hν
Émission
spontanée
Émission
stimulée
(Einstein)
Milieux amplificateurs
E
N2
E
N2
2
2
E1
N1
N2<N1
E1
N1
N2>N1
Milieu amplificateur
photons
jumeaux
Charles Fabry (1867-1945)
et les cavités optiques
L’interaction de Charles Fabry avec Raymond Boulouch
au Lycée Montaigne à Bordeaux ( quelques mois en
1892) : les franges fines d’un coin d’air entre lames
réfléchissantes
D’autres précurseurs sur ces franges : Herrschel, Airy
le passage d’interférences à deux ondes à des
interférences multi-ondes
L’exploitation par Fabry et l’interféromètre Fabry-Perot
L’énorme champ d’applications de l’interféromètre
en métrologie, spectroscopie
Une extension proposée par Pierre Connes : le
Fabry-Perot sphérique
Une utilisation non prévue : le stockage d’énergie
entre les miroirs  la cavité optique de laser
Charles Fabry premier Directeur Général de
l’Institut d’Optique (1921-1941)
Alfred Kastler et le pompage
optique 1902-1984
Prix Nobel 1966
1926-1931 : professeur lycée Mulhouse, Colmar,
Montaigne à Bordeaux
1931-1936 : assistant de Pierre Daure, Université de
Bordeaux
préparation de la thèse (polarisation de la lumière de
fluorescence ..)
1936-1938 : Maître de Conférences à ClermontFerrand
1938-1941 : Professeur Université de Bordeaux
Appelé par Georges Bruhat à l’Ecole Normale
Supérieure
Création avec Jean Brossel du Laboratoire de
Spectroscopie Hertzienne (actuellement
laboratoire Kastler-Brossel)
Naissance d’une véritable école : interaction ondeatomes
Un des élèves : Claude Cohen-Tannoudji, Prix
Nobel 1995
La conservation du moment cinétique dans
l’interaction onde-atomes : les méthodes de
double résonance optique-hyperfréquence et de
pompage optique
Pompage optique et transfert de
moment cinétique
+1/2
E
-1/2
Relaxation
2
+1/2
-1/2
E1
Inversion de population dans
la structure du niveau 1
Les nouvelles technologies de l’Optique dans
le contexte économique du 21ème siècle
• Les besoins d’une nouvelle société
des Sciences et Techniques de l’Information
et de la Communication
• Les solutions optiques au secours
des limitations actuelles
– L’explosion des télécommunications optiques
– Le développement d’une bio-photonique
– Des densités de puissance et d’énergie considérables
avec les lasers femtosecondes : de nouvelles
applications médicales et en mécanique des lasers
• L’Optique : un moyen de motiver
nos jeunes générations pour les sciences ?
Les enjeux économiques
de l’Optique
• Un marché mondial en pleine expansion
– Composants électroniques : 130 G$ décroissance de
8% par an
– Composants optiques et électro-optiques : 30 G$
croissance de 10% par an
• Des domaines en pleine ébullition
• Loi de Moore de l’électronique des années 60
dépassée en télécommunications optiques :
– Doublement de capacité nécessaire
tous les ans
– Des start-up avec des croissances extraordinaires
• Un verrou prévisible : les moyens humains
disponibles
– La nécessité de former un beaucoup plus grand nombre
d’ingénieurs et de techniciens en optique
Développement de l’optique dans le monde
L’optique :
un secteur économique en pleine expansion
Exemple : ventes mondiales optoélectronique
milliards d'euros G€
100
écrans plats
disques optiques
fibres optiques
sources détecteurs
émetteurs
divers
80
60
40
20
0
1992
1997
2001
Grands domaines d’application de l’optique
Technologies de l’Information
& Communication
Internet
Disques
Imagerie
médicale
Guidage
Vision
industrielle
Métrologie
Santé &
sciences de la vie
Aéronautique
spatial & défense
Optique pour la
production industrielle
Tests
biologiques
Télédétection
Usinages
laser
Exemple 1 : les télécoms optiques...
LASERS
(information
multiplexée en
AM
l
AM
l
AM
l
AM
l
AM
l
AM
l
AM
l
AM
x100 km fibre
G
G
DEMULTIPLEXEUR
«multicolore»
l
MULTIPLEXEUR
Liaison
MODULES DE
RECEPTION
MODULATEURS
amplis optiques
l)
DONNEES
débit d’information par fibre équivalent à
+ de 50 millions de conversation
téléphoniques simultanées
soit + de 100 canaux à 10 Gb/s  1 Tb/s sur + de 1000
km
DONNEES
Exemple 1 : ...les télécoms optiques
Composants et fonctions optiques :
diodes laser, modulateurs, filtres optiques (mux/demux),
routeurs en l, fibres, amplificateurs optiques,
régénérateurs, détecteurs…
De la «puce» optique
…
au composant industriel fibré
L’Aquitaine et la mutation optique
L’optique à l’Université Bordeaux I
Le développement d’une “ optique moléculaire ”
(Auguste Rousset)
La création d’un pôle laser dans le Centre de
Physique Moléculaire Optique et Hertzienne
(CPMOH)
La création d’un CEntre Laser Intense et
Applications (CELIA)
Le programme Laser MégaJoule au CESTA/CEA
240 impulsions ns d’environ 8 kJ pour exciter une
bille de l’ordre du 1/10 mm contenant D+T
La Ligne d’Intégration Laser : 1/30 du LMJ,
opérationnelle 2002-2003
Mise en œuvre complète du LMJ : vers 2010
Objectif : remplacement des essais nucléaires +
une piste importante pour les sources d’énergie du
futur
La création en cours d’un Institut Laser Plasma
national
L’Aquitaine : un pôle optique important
Schéma d ’une cible d’attaque indirecte
Conclusion
• L’optique : le démarrage d ’un extraordinaire
développement
• L’optique : une grande ouverture sur les autres
disciplines
– technologiques
– fondamentales
• Un domaine de choix pour les jeunes entrepreneurs
• Des débouchés d’une grande diversité dans
l’industrie et la recherche