les lasers et leurs applications sébastien forget maître de conférences laboratoire de physique...

Les LASERS et leurs Les LASERS et leurs applicationsapplications

Sébastien FORGETSébastien FORGETMaître de conférencesMaître de conférences

Laboratoire de Physique des LasersLaboratoire de Physique des Lasers

Université Paris-NordUniversité Paris-Nord

Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris NordSébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris NordSéance 1

Plan général du coursPlan général du cours I . Les principes de base du laserI . Les principes de base du laser

Les sources de lumièresLes sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laserLes caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnementPrincipe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturationLes équation heuristiques et la saturation

II . Fonctionnement des lasersII . Fonctionnement des lasers 3 ou 4 niveaux3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiensCavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquenceCondition sur le gain et les pertes, sur la fréquence

III . Les différents types de fonctionnementIII . Les différents types de fonctionnement ContinuContinu Impulsionnel déclenchéImpulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modesImpulsionnel à verrouillage de modes

IV. Les différents lasers et leurs IV. Les différents lasers et leurs applicationsapplications

LiquidesLiquidesGazeuxGazeuxSolides (cristallin / semiconducteurs / fibres)Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres)Quelques notions d’Optique non-lineaireQuelques notions d’Optique non-lineaireExemples d’applicationsExemples d’applications


I . Les principes de base du laserI . Les principes de base du laser

A. Les sources de Lumière

Introduction

B. Les caracteristiques du rayonnement laserC. Principe général de fonctionnement

D. Equations et saturation

1. Sources thermiques

2. Sources « luminescentes »

3. Lasers


introductionintroduction

Qu’est ce que la lumière ?Qu’est ce que la lumière ?


Une onde le plus souventUne onde le plus souvent


Lambda=c.T

Polarisation

Phase

Energie E = h.v



Longueur d’onde (µm)10-4 10-3 10-2 10-1 1µ

m10 102 103 104 105 106

1 mm 1 m1 cm 10 cm

1 nm 100 nm

Gam

ma

X UV Visible InfrarougeMicro-onde

Hyperfréquences

Radio

Fréquence (x3 Hz)

ExaHz

TeraHz GigaHz

101

8

101

7

101

6

101

5

101

3

101

2

101

1

101

0

109 108101

4

PetaHz

100 µm




Introduction





3. Lasers


Les sources thermiquesLes sources thermiques

Emission consécutive à un chauffageEmission consécutive à un chauffageEmission de type « corps noir »Emission de type « corps noir »

SoleilSoleil Lampes à incandescence (ampoules)Lampes à incandescence (ampoules) HalogènesHalogènes


Le corps noirLe corps noir DéfinitionDéfinition : c’est un corps théorique qui : c’est un corps théorique qui

absorbe absorbe tous les rayonnementstous les rayonnements qu’il qu’il reçoit. Toute l’énergie thermique ainsi reçoit. Toute l’énergie thermique ainsi emmagasinée est restituée à l’extérieur emmagasinée est restituée à l’extérieur sous forme de rayonnement, donc sous forme de rayonnement, donc d’ondes électromagnétiques. d’ondes électromagnétiques.

Remarque Remarque : : le corps noir tel qu’il est décrit dans la le corps noir tel qu’il est décrit dans la définition est un objet théorique qui n’existe pas. définition est un objet théorique qui n’existe pas. Cependant on peut s’en approcher (par exemple un Cependant on peut s’en approcher (par exemple un morceau d’aluminium peint en noir mat, ou un trou dans morceau d’aluminium peint en noir mat, ou un trou dans une « boite noire », est un corps noir acceptable).une « boite noire », est un corps noir acceptable).


La loi de PlanckLa loi de Planck

Historique : début XXème siècle…Historique : début XXème siècle… La loi du corps noir est mal décrite par la La loi du corps noir est mal décrite par la

théorie :théorie : Loi de Wien : marche bien pour Loi de Wien : marche bien pour λλ courtes courtes Loi de Rayleigh-jeans : OK pour Loi de Rayleigh-jeans : OK pour λλ longues longues

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Longueur d'onde (nm)

I (U

.A.)

Loi de Rayleigh-Jeans

Loi de Wien

valeurs experimentales

0,00

0,01

0,01

0,02

0,02

0,03

0,03

0,04

0,04

0,05

0,05

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000


I (U

.A.)


Loi de Wien


« Catastrophe UV »


La loi de PlanckLa loi de PlanckRévolution : Planck introduit le Révolution : Planck introduit le

principe des « quanta » ! :principe des « quanta » ! :

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000


I (U

.A.)

Loi de Planck


Loi de Wien



Loi de déplacement de WienLoi de déplacement de Wien

λλmaxmax.T = Constante = 2898 .T = Constante = 2898 ~ 3000~ 3000

Avec T = temperature, Avec T = temperature, en Kelvins en Kelvins

(Rappel (Rappel :: T(°C) = T(K)-273.15T(°C) = T(K)-273.15))))

Et Et λλmaxmax = longueur d’onde correspondant au max. de la courbe = longueur d’onde correspondant au max. de la courbe

Ex : T=2500 K donne Ex : T=2500 K donne λλmaxmax = 2898/2500 = 1.16 µm = 2898/2500 = 1.16 µm


Courbes Corps NoirCourbes Corps Noir

-1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000


I (U

.A.)

2500 K

1000 K

300 K


Courbes Corps NoirCourbes Corps Noir


T=6000 K (soleil) T=10000 K

T=3400 KT=1600 K

Emission du corps noir à différentes températures (normalisée)



La lampe à incandescence


Les sources thermiquesLes sources thermiquesAmpoules classiques sous vide : on chauffe un filament de tungstène

(W)sous vide jusqu'à environ 2500 K (on ne peut pas chauffer beaucoup plus car le tungstène fond).

max = 1,14 microns.durée de vie = 1000 heures environ


Les sources thermiquesLes sources thermiquesAmpoules à atmosphère :

On place le filament de tungstène non plus sous vide mais dans une atmosphère de krypton (ou de mélange azote – argon) qui permet de réduire la vitesse d’évaporation du tungstène.

Durée de vie de l’ampoule plus longueOU durée de vie = 1000 h mais à plus haute Temperature (2830 K) : soit max = 1 micron


CaractéristiquesCaractéristiques Emission isotrope (4 pi stéradians)Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission incohérente (pas de relation de phase)Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission polychromatique (grande largeur Emission polychromatique (grande largeur

spectrale)spectrale)





Introduction





3. Lasers


Emission « atomique » Emission « atomique » Les caractéristiques du rayonnement ne Les caractéristiques du rayonnement ne

peuvent être comprises qu’en descendant à peuvent être comprises qu’en descendant à l’échelle de l’atome !l’échelle de l’atome !

Les sources luminescentesLes sources luminescentes


PrincipePrincipeModèle de l’atome de BohrModèle de l’atome de Bohr

Énergie

E0

E1

E2

E3

En

…


Absorption/ÉmissionAbsorption/Émission

Passage entre les niveaux Passage entre les niveaux d’énergie par d’énergie par absorption/émission absorption/émission de lumièrede lumière : :

Temps caractéristique = durée de vie du niveau =


AbsorptionAbsorption

E

Ef

Ee

h

E

Ef

Ee

Etat « excité »

Etat « fondamental »

Excitation peut provenir

•de l’absorption de photons (ci contre)

•De chocs avec les électrons (excitation électrique)


ÉmissionÉmission

E

Ef

Ee

h

E

Ef

Ee

Etat « excité »

Etat « fondamental »

L’énergie du photon émis par luminescence entre les deux niveaux

d’énergie E1 et E2 est hυ = E2 – E1 = ΔE•Où ΔE est la valeur du « saut » d'énergie (en

joules)

• υ est la fréquence de l'onde émise (en hertz), sa longueur d'onde vaut alors λ = c / υ

•h est la constante de Planck et vaut 6,64 10 -34 J.s


ÉmissionÉmission

Plusieurs fréquences peuvent être émises car il existe de nombreux niveaux !!!


ApplicationsApplicationsLes Lampes à décharge

Excitation électrique

Exemple : le néon (Ne) émet essentiellement dans

le rouge




Exemple : le Sodium (Na) émet essentiellement dans le jaune-

orangé

Haute Pression

Basse Pression




Exemple : le Mercure (Hg) émet essentiellement dans le blanc bleuté

À basse pression :

+ d’UV

Médecine, bronzage, « lumière noire »


ApplicationsApplicationsLes lampes à fluorescence

Excitation lumineuse

Le « tube fluorescent »


ApplicationsApplicationsLe « tube fluorescent »

Sans poudre fluorescente


CaractéristiquesCaractéristiques Emission isotrope (4 pi stéradians)Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission incohérente (pas de relation de phase)Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission polychromatique (grande largeur Emission polychromatique (grande largeur

spectrale) ou quasi – monochromatique (raies)spectrale) ou quasi – monochromatique (raies)

Les sources luminescentesLes sources luminescentes




Introduction





3. Lasers


CaractéristiquesCaractéristiques Emission directionnelleEmission directionnelle Emission cohérente (relation de phase)Emission cohérente (relation de phase) Emission quasi – monochromatiqueEmission quasi – monochromatique

Les LasersLes Lasers




Introduction





3. Lasers


DirectivitéDirectivité

Laser = Laser = concentré spatial de lumièreconcentré spatial de lumièreDivergence faible (mais non nulle)Divergence faible (mais non nulle)Densité de puissance élevéeDensité de puissance élevéePossibilité de focaliser sur de très Possibilité de focaliser sur de très

petites surfaces ( environ lambda²)petites surfaces ( environ lambda²)

→ → Conséquence de cette concentration dans l’espaceConséquence de cette concentration dans l’espace : : Densités de Puissance énormes !

Ordre de grandeur : laser 10 W à λ = 500 nm (vert) : densité de puissance max (=Puissance/surface) = 10/(0,5.10-6)² = 4 GW/cm2


MonochromaticitéMonochromaticité

Laser = Laser = concentré spectral de concentré spectral de lumièrelumière

Ou presque… (plus de détails plus tard !)Ou presque… (plus de détails plus tard !) Mais pas toujours…Mais pas toujours… Largeur de raie très faible : autour de 1 Largeur de raie très faible : autour de 1

MHzMHzDe plus, les ondes emises sont en phase entre elles : il est possible de faire des interférences


PuissancePuissance

Pas forcement plus qu’une grosse Pas forcement plus qu’une grosse lampe (10 à 100 W en continu), mais lampe (10 à 100 W en continu), mais concentré spatialement et concentré spatialement et spectralementspectralement

Souvent aussi :Souvent aussi : concentré concentré temporellement (impulsions très temporellement (impulsions très courtes, ns à fs)courtes, ns à fs)


RésuméRésumé

Ampoule classique

• Polychromatique

• Isotrope

• Incohérente

Laser

• Monochromatique

• Directive

• Cohérente


Sécurité LaserSécurité Laser

Crucial en raison des spécificités du Crucial en raison des spécificités du laserlaser


La norme appliquée en Europe est la norme européenne NF EN 60825-1/A2 « sécurité des appareils à laser, classification des matériels, prescription et guide de l'utilisateur ». Cette norme est à la base des programmes de mise en application de la sécurité laser en industrie, médecine et en recherche.

La norme NF EN 60825-1/A2 pour la sécurité des appareils à laser fournit des informations sur le classement des lasers pour la sécurité, les calculs de sécurité laser, les mesures de contrôle des risques, des recommandations pour les responsables sécurité laser et pour les comités d'hygiène et sécurité des entreprises. Tous les produits laser vendus en Europe doivent répondre à cette norme et comporter le marquage CE.



Les EMP représentent le niveau maximal de rayonnement laser auquel les personnes peuvent être exposées sans subir de dommage immédiat ou à long terme. Cette exposition maximale permise est établie à partir des valeurs limites de densité d'énergie ou de puissance surfacique à admettre au niveau de la cornée et de la peau. Ces valeurs ont été obtenues en extrapolant à l'homme, les résultats d'EMP obtenus sur des animaux.Ainsi, les niveaux d'EMP ont été calculés en fonction de la longueur d'onde du rayonnement, de la durée d'impulsion ou du temps d'exposition du tissu soumis au rayonnement (peau ou oeil) et de la dimension de l'image de l'objet sur la rétine. Dans le tableau, quelques niveaux EMP sont résumés.



Pour l’oeil


Pour la peau


Les classes de laserLes classes de laser


Lorsque l'on travaille sur un laser de classe supérieure à 1, il faut obligatoirement :Avoir la maitrise du faisceau laser, de la source au détecteur. C'est à dire :

•Que tout objet réfléchissant et partiellement réfléchissant doit être solidement fixé

•De connaître parfaitement son expérience et ainsi localiser parfaitement le trajet du faisceau laser lors de sa propagation. Cette connaissance permet en même temps de repérer les réflexions parasites et de les bloquer (En utilisant des bloqueurs absorbants et non réfléchissants).

•De bloquer le faisceau, il faut au maximum éviter les réflexions diffuses en utilisant par exemple un morceau de carton pour bloquer le faisceau laser puissant.

Que l'expérimentateur prennent ses précautions. C'est à dire :•Qu'il doit régler son expérience à faible puissance •Qu'il ne doit jamais mettre ses yeux dans l'axe de propagation des faisceaux laser•De toujours travailler nu de tout objet réflechissant tel qu'une montre, un bracelet, une alliance...•De toujours travailler dans une pièce minimalement éclairée pour ne jamais avoir sa pupille totalement ouverte.•Et bien sur de toujours porter ses lunettes de protection adaptées dès que le risque existe.

ESSENTIELESSENTIEL


Les locauxLes locaux


ExempleExemple

Laser CW Argon (lambda = 514 nm) Laser CW Argon (lambda = 514 nm) de puissance 1W et de diamètre 1 de puissance 1W et de diamètre 1 mmmm Classe du laser ?Classe du laser ? EMP pour l’œil ? Pour la peau ?EMP pour l’œil ? Pour la peau ? Est on en danger en regardant directement le Est on en danger en regardant directement le

faisceau ? Et pour un impact sur la peau ?faisceau ? Et pour un impact sur la peau ? On dispose de lunettes de densités optiques On dispose de lunettes de densités optiques

(DO) à 514 nm valant 3, 4 et 6. Lesquelles (DO) à 514 nm valant 3, 4 et 6. Lesquelles permettent de proteger les yeux ?permettent de proteger les yeux ?

(definition : T = 10(definition : T = 10-DO-DO))

les lasers et leurs applications sébastien forget maître de conférences laboratoire de physique...

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