Cours d`introduction

Lasers
François BALEMBOIS
Professeur à l’Institut d’Optique
Bureau R.1.7
Tel 01 64 53 34 20
Email : [email protected]
Groupe Laser
Laboratoire Charles Fabry, Institut d'Optique
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,-#./"01+
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- Grands principes
- Historique
- Propriétés de la lumière laser
- Différents types de laser
- Quelques applications
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.%
/0+1,%*0+2',,3,%*01$21*#3)%%
Absorption
E2
"E = h!#
Emission spontanée
photon
Emission stimulée
E1
photon
particule
Energie lumineuse absorbée
par le milieu pour exciter la
"particule" (un atome, un ion, une
molécule, un électron)
Désexcitation spontanée de la
"particule" accompagnée de
l’émission de lumière
Désexcitation provoquée
par le photon incident,
Emission d’un photon identique
E2 - E1 = h! = énergie du photon
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4%
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Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
!
Amplification de lumière par émission stimulée
photon
Tous les photons émis sont identiques entre eux
même direction
faisceau très peu divergent
même longueur d onde
émission monochromatique
($ = hc/"E)
même phase
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faisceau cohérent
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Atome 1
Atome 2
photon
Atome 3
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N2 atomes!
Énergie
N1 atomes!
E2!
N2!
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E1!
N1!
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population
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Désexcitation rapide (perte d énergie)
Pompage
Énergie
N2!
N1!
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Émission d un photon
Désexcitation rapide (perte d énergie)
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Niveau non peuplé
thermiquement
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extérieure
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miroir
miroir
fournit de l'énergie au milieu
pour que l'émission
stimulée soit prédominante
(inversion de population)
milieu amplificateur
faisceau laser
le pompage
la cavité
dans laquelle se propage l'onde
lumineuse.
Elle est constituée de miroirs
Alfred Pérot !
1863 - 1925
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Charles Fabry !
1867 - 1945
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fournit de l'énergie au milieu
pour que l'émission
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(inversion de population)
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dans laquelle se propage l'onde
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Elle est constituée de miroirs
Alfred Pérot !
1863 - 1925
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Charles Fabry !
1867 - 1945
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- Grands principes
- Historique
- Propriétés de la lumière laser
- Différents types de laser
- Quelques applications
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K4%
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1949 : Alfred Kastler (prix nobel 1966) et J.Brossel
pompage optique qui permet d'obtenir l'inversion de population
1954 : Charles H. Townes et James Gordon (Columbia University)
premier MASER (à ammoniac "=13 mm)
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1958 : Charles Townes et Arthur Schalow (Bell Labs)
théorie du «maser optique»
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K8%
\1,7+10'%&',%"#,'0,%H%0-#"1,#;+$,%
1960 : Ted Maiman (Hughes Research Labs)
1er laser à rubis (693 nm), en impulsionnel
1961 : Premier laser Hélium-Néon ("=1,15 !m)
@BW@+RXOYS+
1962 : Premier laser Hélium-Néon rouge ("=632,8 nm)
1962-66 : diode laser, lasers dopés au néodyme,
laser CO2, laser chimique, laser à colorant...
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Laser à rubis : Cr3+:Al2O3
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KU%
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- Grands principes
- Historique
- Propriétés de la lumière laser
- Différents types de laser
- Quelques applications
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KY%
5'%"#,'0%H%3$%2+$2'$70-%&'%"3:1W0'%
Concentré spatial
Diamètre de
l image rétinienne
Éclairement (W/
cm2)
HeNe 1mW à
633 nm
20 !m
> 102
Soleil
100 !m
10
! Un simple laser Hélium Néon peut brûler l œil!
#%
- Directivité
exemple : "=633nm w0=1cm, #=2 10-5 rad
2w0
Le faisceau double de taille au bout de 500 m!
- Focalisation maximale sur un diamètre = "
#="/$w0
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4w0
500 m
2w0= "
,-#./"01+
KZ%
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Concentré spectral
Laser monomode asservi en fréquence :
Très faible largeur de raie &' = 10 Hz (voire 1 Hz!)
Très grande longueur de cohérence
(&' = 10 Hz, L=30 000 km)
Densité spectrale de puissance (dP/d') très élevée
(  excitation très sélective de transitions atomiques
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KR%
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Concentré temporel
- Record de durée : 4,5 fs (4,5)10-15 s) dans l’infrarouge
<100 attoseconds (100)10-18 s) dans l’ X-UV ("=qq 10 nm)
- Puissance crête très élevée : Nd:YAG 100 mJ, 5 ns : Pcrête = 20 MW
Laser femtoseconde 1J, 20 fs : Pcrête = 50 TW
! effets non linéaires dans la matière
Objectif de microscope
Cuve d eau
Laser infrarouge
850 nm 10 ps 10 !J
Continuum spectral
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- Grands principes
- Historique
- Propriétés de la lumière laser
- Différents types de laser
- Quelques applications
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Différents types de milieux amplificateurs :
- lasers à gaz
- lasers solides
- lasers à colorant
- lasers à semiconducteurs
Différentes sources de pompage :
- pompage électrique
- pompage optique
- réaction chimique
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p GaAlAs
GaAs
courant électrique
n GaAlAs
Electrodes
anode
t-2/+./+
#/(-9H$2"$%-2+
t-2/+.-68/+6"#+./%+3#-0%+
P
N
Faisceau émis de section elliptique
t-2/+.-68/+6"#+./%+8)/(3#-2%+
cathode
200 !m
L * 1 mm
]/2./9/23+hfr+G-$#/+6)0%+
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mm
Cristaux après découpage
Cristaux issus de la croissance
P+$MA30#;+$%&'%"#%2#<17-%H%%%
Cavité étendue
Microlaser
(miroirs déposés sur les surfaces)
(miroirs distincts du cristal)
Pompage
Ou Pompage
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- Grands principes
- Historique
- Propriétés de la lumière laser
- Différents types de laser
- Quelques applications
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'"$23&45/22/+
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.R%
S**"12#;+$,%&3%"#,'0%
Arthur Schawlow dans les années 1960 avec un laser à rubis+
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S**"12#;+$,%&3%"#,'0%
c+:#1$',%&(#**"12#;+$%&',%"#,'0,%N2F160',%.[K4O%
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Plus de 40 étapes de production du smartphone
utilisent des lasers
•  Micro-perçage des circuits-imprimés
•  Découpe du
verre
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Après
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Laboratoire Hubert Curien (St Etienne) :
Ablation laser pour réalisation de couches minces
Modélisation interaction laser matière
Micro/nano structurations de surfaces par laser femtoseconde pour des applications
nanophotoniques
Laboratoire Photonique Numérique et Nanosciences (Bordeaux):
Développement de lasers pour la métrologie, les atomes froids et l'interférométrie
atomique
Utilisation des lasers pour les activités nanophotonique et bio-photonique
Laboratoire Charles Fabry (Paris Saclay) :
Développement de nouvelles sources lasers
Développement de composants pour lasers "ultimes" : domaine X UV ou attoseconde
Outil pour les groupes optique atomique, optique quantique, matériaux et optique non
linéaire, biophotonique
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Les lasers pompés par LED+
Miroir+
Miroir+
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Cours :
2° année
Tous sites: Optique non linéaire et Optique guidée
Palaiseau : cours électifs : électro/acousto-optique et sources à semiconducteurs
3° année
Technologie des lasers solides (Palaiseau)
Physique des lasers (Palaiseau)
Lasers ultracourts (Bx)
Travaux pratiques
1° année 2° année
- Montage et caractérisation de lasers
(Hélium-néon, diodes laser)
- Utilisation de lasers (tous sites)
3° année (Palaiseau)
- Lasers à impulsions brèves
!"#$%&'"()"*+
- Lasers et optique
non linéaire
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Chapitre I : Atomes et photons
Chapitre II : Amplification optique
Chapitre III : L'oscillateur laser
Chapitre IV : Lasers impulsionnels
Chapitre V : Optique des lasers
Volume horaire :
13 cours de 1H30
6 TD de 1H30
(Anaïs Molineri, Maximilian Schemmer, Philipp Halbrodt,
Thibault Harlé, Yvan Sortais)
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