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Sébastien FORGETSébastien FORGETMaître de conférencesMaître de conférences

Laboratoire de Physique des LasersLaboratoire de Physique des LasersUniversité Université ParisParis--NordNord

Merci Merci àà SébastienSébastien ChenaisChenais (LPL, Paris(LPL, Paris--Nord)Nord)

Et Et àà Patrick Georges (Institut Patrick Georges (Institut d’Optiqued’Optique, Paris XI), Paris XI)

pour pour leurleur contribution contribution àà cece courscours..

Les LASERS et leurs Les LASERS et leurs applications applications -- IIIIII

Copyright Copyright –– Sébastien Sébastien ForgetForget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord

Plan général du coursPlan général du cours

I . Les I . Les principesprincipes de base de base dudu laserlaser

II . Les II . Les différentsdifférents types de laserstypes de lasers

III. Applications des lasers III. Applications des lasers continuscontinusStockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux

IV.IV. Les lasers Les lasers àà impulsions “impulsions “courtescourtes” (” (nanosecondenanosecondeet et leursleurs applicationsapplications

Exemple du Laser MegaJoule (CEA)

V . Les lasers V . Les lasers àà impulsions impulsions ultracourtesultracourtes ((psps, , fsfs))Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”)


TroisièmeTroisième partiepartie

Application des lasers Application des lasers ContinusContinusStockageStockage d’informationd’informationTelecomsTelecomsMesuresMesures optiquesoptiquesShows lasersShows lasersTraitementTraitement des des matériauxmatériauxMédecineMédecine


Fonctionnement ContinuFonctionnement Continu

-- On pompe le laser et le gain augmente.On pompe le laser et le gain augmente.-- Lorsque le gain DÉPASSE les pertes (Lorsque le gain DÉPASSE les pertes (SEUILSEUIL), ),

l’oscillation laser s’installe dans la cavité l’oscillation laser s’installe dans la cavité -- Le gain est alors Le gain est alors FIXEFIXE et et EGALEGAL aux pertes.aux pertes.-- Le laser est en Le laser est en régime stationnairerégime 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)

- pour des puissances supérieures : ça dépend de l’applicationLasersContinus


Stockage d’informationsStockage d’informationsLecture du CD-R ou RW

La reflexion du laser est différente sur un « plat » (land) et sur un « saut » (bump) entre deux plats.Lasers

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Stockage d’informationsStockage d’informations

CD CD vsvs DVDDVDLe 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)

700 Mo à 4.7 Go (DVD simple) voire 17 Go (double face double couche)

L’avenir : le “Blue Disk”

Utilisation de diodes lasers BLEUES : capacitéaugmentées à 27 Go (= 13 h de vidéo compressée)Lasers

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StockageStockage d’informationsd’informationsPrincipe Principe dudu CD/DVDCD/DVD--R R

Laser Focalisé chauffe le colorant organique Déformation dusubstrat plastique = formations de “bosses” et de “trous” (“0” ou “1”)

Ecriture du CD-R

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Stockage d’informationsStockage d’informationsCD CD réinscriptiblesréinscriptibles : CD: CD--RWRW

• Materiau pour CD réinscriptibles : alliage de métaux présentant 2 Phases (cristalline et amorphe)

• 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

Alliage (AgInSbTe)

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TélécomsTélécoms••Téléphonie et Internet : Téléphonie et Internet : communications par fibre optique communications par fibre optique demande exponentielle de bande passante pour la demande exponentielle de bande passante pour la vidéo (mais besoins surestimés lors de la « bulle vidéo (mais besoins surestimés lors de la « bulle télécomtélécom » en 2000) » en 2000)

••Aussi : Communications Aussi : Communications interinter--satellitessatellites(espace libre)(espace libre)

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TélécomsTélécoms

La Fibre OptiqueLa Fibre OptiqueC



Diode laser de faible puissance, à 1.55 µm

C

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Amplificateurs OptiquesAmplificateurs OptiquesC

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TélécomsTélécomsC

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L’utilisation des lasers permet L’utilisation des lasers permet d’augmenter la précision et la diversité d’augmenter la précision et la diversité des mesures :des mesures :

UtilisationUtilisation dudu caractèrecaractère ondulatoireondulatoire cohérentcohérent((interféromètresinterféromètres) = ) = précisionprécision meilleuremeilleure queque λλ !!DirectivitDirectivitéé : le laser : le laser permetpermet de de matmatéérialiserrialiser des des ligneslignes parfaitementparfaitement droitesdroitesPuissance : Puissance : mesuremesure sursur des des grandesgrandes distances (ex distances (ex : : mesuremesure distance distance terreterre--lunelune, , lidarlidar))

Mesures OptiquesMesures Optiques

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Mesure de la distance Terre-LuneObservatoire 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 entrel'émetteur et le récepteur à 3mm près en moyenne.

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Principe (valable aussi avec les satellites)Principe (valable aussi avec les satellites)

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).

Diamètre du faisceau sur la lune : 10 km (1.3 km théoriques en corrigeant les perturbations atmosphériques par une optique adaptative haut de gamme…)

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Le LIDAR Le LIDAR (=LIght (=LIght DetectionDetection and and RangingRanging, = RADAR optique), = RADAR optique)

Même principe : la mesure du temps Même principe : la mesure du temps d’allerd’aller--retour du laser permet d’obtenir retour du laser permet d’obtenir la hauteur de la cible visée, et donc de la hauteur de la cible visée, et donc de cartographier la zone.cartographier la zone.

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Mesures OptiquesMesures OptiquesInterférométrie, HolographieInterférométrie, Holographie

MesureMesure de de déplacementsdéplacements ouou de de déformationdéformation sub microniquessub microniquesPossiblesPossibles grâcegrâce à la à la cohérencecohérence des lasers des lasers utilisésutilisés (Lasers à (Lasers à gazgaz en en généralgénéral, , typiquementtypiquement HeHe--NeNe))))

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.

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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.

GyrolaserGyrolaserMesureMesure de rotationsde rotationsIndispensables Indispensables dansdans les les avionsavions, les satellites, les , les satellites, les soussous--marinsmarins……

Codes BarresCodes BarresDiodes lasers rougesDiodes lasers rougesDétecteDétecte les variations de les variations de reflexionreflexion entreentre bandesbandes noiresnoires et blancheset blanches

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Mesures optiquesMesures optiques

Autres exemples :Autres exemples :MesureMesure de de fréquencesfréquencesMesureMesure dudu temps temps ((HorlogesHorloges AtomiquesAtomiques))MesuresMesures spectroscopiquesspectroscopiquesGyromètresGyromètresMesuresMesures de direction pour de direction pour pointépointé ((guidageguidage de de missiles, missiles, niveauniveau laser pour laser pour architectesarchitectes…)…)Lecture de codesLecture de codes--barresbarres dansdans les les supermarchéssupermarchés……

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Shows laserShows laser

Shows lasers : lasers visibles continusShows lasers : lasers visibles continusArgonArgon, , KryptonKrypton, Laser , Laser solidessolides + conversion de + conversion de fréquencefréquence……

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Traitement des matériauxTraitement des matériaux

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MédecineMédecine

Chirurgie « esthétique »Chirurgie « esthétique »Les lasers Les lasers continuscontinus sontsont recherchésrecherchés pour des pour des traitementstraitementsnécessitantnécessitant un un chauffagechauffage localisélocalisé : Laser CO: Laser CO2 2

AVANT APRES

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