master physique 1ère année

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MANIPULATION N°=3impulsion LASER.
télécommunications optiques.
Plate-forme Optique
Déroulement des TP
Les comptes rendus de TP sont à rendre à la fin de chaque séance, cela vous
permettra de ne pas passer trop temps à rédiger vos comptes rendus de TP, et de vous laisser
ainsi plus de temps pour relire votre cours et préparer vos TD de l’U.E. " Laser et optique
intégrée ". Par contre cela vous obligera à lire l’énoncé du TP et préparer le compte rendu
avant le TP, c’est à dire rédiger à l’avance l’introduction et à répondre à l’avance aux
questions " théoriques" ou préliminaires. La préparation d’un TP ne doit pas excéder 2 heures.
Il est important de noter qu'un TP préparé est toujours beaucoup plus profitable et enrichissant
pour l’étudiant. Cela vous permettra de ne pas perdre du temps précieux devant les bancs de
mesures à lire le polycopié de TP ou à découvrir l'énoncé après les TP au moment de rédiger
le compte rendu. La notation des TP se décompose de la façon suivante :
4 points environ pour l’introduction et la conclusion. L’introduction (10-15 lignes)
doit décrire les objectifs importants du TP, ainsi que le contexte dans lequel il s'intègre
(application, intérêt, …). Cela peut vous amener à faire quelques recherches
personnelles. La conclusion doit faire part de vos résultats importants et de ce que
vous a apporté le TP.
4 points environ pour les questions théoriques ou préliminaires
4 points environ pour votre attitude lors de la séance de TP
4 points environ pour la qualité de vos mesures
4 points environ pour l’interprétation et la critique des résultats
Du fait de cette notation les étudiants d’un même binôme n’auront pas nécessairement la
même note. Il est possible de rendre un compte rendu par binôme ou par étudiant selon votre
souhait.
Les binômes seront définis à l’avance par ordre alphabétique à moins qu’ils soient déjà
constitués. Chaque binôme fera 3 TP parmi 4. La répartition des TP entre les binômes se fera
de la façon suivante :
1 TP1 TP2 TP3
2 TP2 TP3 TP4
3 TP3 TP4 TP1
4 TP4 TP1 TP2
Les comptes rendus de TP non rendus en fin de séance seront sanctionnés par un zéro,
sauf cas exceptionnel : panne de courant, matériel en panne. Les séances de TP sont de 4
heures et pas plus ! Il est donc essentiel que vous prépariez avant de venir, que vous arriviez à
l’heure et que vous soyez efficaces pendant la séance. Il est important de joindre au compte
rendu vos résultats sous de graphique avec les incertitudes, les barres d’erreur et les légendes
qui permettent de bien mettre en valeurs vos mesures expérimentales.
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N’oublier pas de lire les annexes qui vous sont donnés en fin de polycopier lors de la
préparation du TP. Ils vous feront gagner du temps et vous permettront d’être plus
performants en séance.
Annexe A : utilisation des ressources informatiques de la plate-forme optique
Annexe B : utilisation du système d'acquisition Caliens (barrette CCD)
Annexe C : utilisation du logiciel Kaleidagraph (traitement de données, graphes, …)
Annexe D : utilisation de Synchronie (acquisition et traitement de données)
Annexe E : modélisation et traitement de donnée
Annexe F : polarisation et représentation de Jones
Annexe G : tableau à faire remplir par l’enseignant
Bon TP, et que ces séances soient les plus enrichissantes possible pour vous!
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INFORMATIONS : CLASSES ET DANGERS DES LASERS :
Depuis son invention en 1960, le laser n’a cessé de se développer et de rencontrer de
nouvelles applications (laboratoire, industrie, militaire, …). En conséquence, le nombre
d’accidents dus au rayonnement laser a aussi augmenté. Dans la plupart des accidents laser,
c’est l’œil qui est atteint. Il existe 5 classes de laser définies par :
Classe 1 : lasers non dangereux pour l’œil quelles que soient les conditions d’observation.
Classe 2 : lasers émettant dans le visible et pour lesquels le réflexe palpébral (réflexe de
clignement de l’œil égal à 250 ms) intervient pour protéger l’œil d’une exposition accidentelle
au laser. Cette classe 2 prolonge la classe 1 et les lasers visibles de cette classe sont non
dangereux pour l’œil, si celui-ci n’est pas maintenu dans le faisceau plus de 250 ms.
Classe 3A : cette classe regroupe les lasers
non dangereux pour l’œil nu, mais
potentiellement dangereux si on les observe à
travers une optique grossissante.
(et encore plus si le laser passe par une optique
grossissante), mais les réflexions diffuses
(rayonnement diffusé par un obstacle situé sur
le trajet du faisceau) du laser sont sans danger.
La lésion cutanée est prévenue par une
sensation de picotement ou d’échauffement.
Classe 4 : lasers les plus intenses qui sont
très dangereux pour l’œil nu y compris en
réflexion diffuse, ainsi que les lasers pouvant
induire des dommages sur la peau.
Il est important que vous
portiez les lunettes de protection lorsqu’un
laser de classe 3 ou plus est allumé. Tout
objet réfléchissant (montre, gourmette,
bague, …) doit être enlevé.
TRES IMPORTANT :
LES PUISSANCES EMISES PAR LA DIODE LASER (>100mW à 850nm) ET PAR
LE LASER Nd:YAG PEUVENT CAUSER DES DOMMAGES IRREMEDIABLES
A L'OEIL. IL EST DONC IMPERATIF DE NE JAMAIS METTRE SES YEUX AU
NIVEAU DES FAISCEAUX. LE LASER Nd:YAG EST D'AUTANT PLUS
DANGEREUX QU'IL EST INVISIBLE (1064 nm).
Ce document a pour but de décrire le laser et de présenter la procédure de réglage. Il est
fourni en complément de la notice complète en anglais à lire pendant la manipulation, vous y
trouverez des informations très intéressantes pour votre compte rendu de TP.
L'expérience comprend le montage, l'optimisation et l'étude du fonctionnement d'un laser
Nd:YAG pompé par diode, doublé en fréquence.
Ce laser, entièrement modulaire, comprend :
1) L'alimentation de la diode laser
2) Le banc laser, fixé sur un boîtier avec couvercle de protection, qui inclut les éléments
suivants :
la diode laser de pompage émettant aux alentour de 800nm
une optique de collimation, de focale image : f ' = + 6mm
une optique de focalisation, de focale image : f ' = 30 mm
un barreau avec deux faces planes ; celle d'entrée est traitée Tmax autour de 810 nm
et Rmax à 1064 et 532 nm; la face de sortie est traitée antireflet.
le miroir de sortie concave (R= 100 mm) traité Rmax à 1064 nm
un porte-filtres
un spectromètre fibré
un cristal non linéaire (KTP) pour le doublage de fréquence intracavité.
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Chacun de ces éléments est monté sur un support qui est positionné sur le banc.
3) Une pochette contenant : 1 filtre RG1000 (transmet les radiations de > 1000 nm)
1 filtre BG 18 (transmet le vert)
1 carte de visualisation infrarouge
4) 3 paires de lunettes de protection
1 - DESCRIPTION DU LASER
1-1. La diode laser.
Elle émet principalement dans la gamme spectrale comprise entre 800 et 820 nm. La
longueur d'onde varie avec la température de fonctionnement (+ 0,25 nm/°C) et avec le
courant d'alimentation (0,05 nm/mA). La diode laser sert à pomper le barreau de Nd:YAG
dans sa bande d'absorption autour de 808 nm. Le pompage à ces longueurs d'onde a pour
avantages de minimiser l'échauffement du barreau et de fournir un très bon rendement optique
(puissance émise / puissance de pompage) qui peut atteindre 50 %. La diode est alimentée par
un boîtier qui permet de régler la température de fonctionnement, le courant d'alimentation et
la fréquence de modulation.
RESPECTER LA PROCEDURE DE MISE EN ROUTE DE LA DIODE LASER
1-2. L'optique de pompage.
La diode émet un faisceau très divergent. C'est pourquoi on utilise d'abord un collimateur
puis une lentille de focalisation qui concentre la puissance à l'intérieur du barreau. Vérifier
que les optiques sont propres et ne pas de mettre vos doigts dessus.
1-3. Le laser Nd:YAG.
Le laser Nd:YAG comprend :
- un barreau avec deux faces planes ; celle d'entrée est traitée Tmax autour de 810 nm et
Rmax à 1064 et 532 nm ; la face de sortie est traitée antireflet.
- un miroir de sortie concave (R = 100 mm) traité Rmax à 1064 nm.
1-4. Le porte-filtres.
Deux types de filtres sont utilisés avant le mesureur de puissance, suivant la gamme de
longueurs d'onde à observer.
1-5. Le mesureur de puissance.
Il permet de mesurer les puissances des rayonnements visible et infrarouge. Il faut régler la
longueur d’onde de travail sur le boîtier de mesure (ce qui permet de prendre en compte la
courbe de sensibilité de la photodiode Si).
1-6. Le cristal doubleur de fréquence.
Placé à l'intérieur de la cavité, ce cristal non linéaire KTP (potassium titanyl phosphate)
génère un faisceau à 532 nm.
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Questions préliminaires
Donner le rôle de chacun des ces éléments dans la réalisation du laser Nd :Yag.
Pourquoi la température de la diode de pompage est un paramètre important
pour effectuer un bon pompage ? Pourquoi doit-on modifier cette température
à chaque fois que l’on modifie de façon significative la puissance de la diode ?
Déterminer la zone de stabilité de la cavité. Expliquez votre réponse.
Attention la diode laser émet à 800 nm,
longueur d'onde située en limite de la
courbe de sensibilité de l'œil. Il est
important que vous portiez les lunettes de
protection lorsque la diode laser est
allumée. Tout objet réfléchissant (montre,
gourmette, bague, …) doit être enlevé.
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IMPORTANT !
Avant d'allumer l'alimentation de la diode laser par le commutateur placé à
l'arrière, s'assurer que le régulateur de courant est à sa position minimum.
Prendre la même précaution avant de tourner la clef sur la position "ON" ou de
commuter les boutons de stabilisation et de modulation.
Aucune surface optique ne doit être touchée, sinon on risque un dommage
définitif, en particulier pour le cristal de KTP.
Avant de commencer à monter votre laser, identifiez chaque élément du montage.
1) Tournez la clef de l'alimentation sur la position "ON". Régler la température de la diode
laser à 27°C et le courant à une valeur permettant de visualiser le faisceau sur un écran
placé devant la photodiode de mesure. Dès que le laser est en route vous devez porter
les lunettes de protection et utiliser la carte de visualisation pour les réglages.
2) Le collimateur est placé devant la diode laser. Les deux montures doivent être distantes de
2cm (Ne pas toucher ce réglage). Régler le faisceau de la diode laser à l'aide des vis XY
de façon à ce qu'il soit parallèle au rail du banc optique et le plus horizontal possible. On
utilisera pour cela la carte de visualisation d’alignement montée sur un support
cylindrique.
3) Déterminez le courant seuil de la diode laser et tracez sur un même graphique (1) les
courbes P (I) de la diode laser, pour une température de 27°C et pour une température de
18°C. Assurez-vous que le détecteur capte bien toute la lumière issue de la diode laser.
Interprétation des résultats.
4) Placez la lentille de focalisation sur le rail de façon à avoir le plus petit point de
focalisation, pour cela jouer sur la position de cette lentille. (Attention : à cet endroit, le
faisceau est très intense et peut brûler !).Notez la position du point de focalisation. Ce
point de focalisation correspond à la position à laquelle on placera le barreau YAG.
5) A l’aide du spectromètre fibré, mesure la longueur d’onde émise par la diode laser en
fonction de la consigne de température (pas = 2,5°C).
6) Placez le barreau au point de focalisation, réglez la diode à un courant de 500 mA. Placez
la tête du mesureur de puissance juste derrière le barreau. Noter la puissance reçue en
fonction de la température,. Tracez la courbe (2) de la puissance en fonction de
longueur d’onde d’émission de la diode laser. Déterminez la température/longueur
d’onde correspondant au maximum d'absorption du Nd:YAG. On atteint ce
maximum quand le faisceau de la diode transmis par le barreau est au minimum (on
l'observe sur la carte de visualisation IR ou à l'aide de la photodiode). Notez cette
température, et effectuez la même courbe (3) pour un courant de 700 mA.
7) Réglez la diode à un courant de 500 mA, à l'aide d'un diaphragme placé au point de
focalisation régler l'autocollimation du miroir d'entrée de la cavité, en agissant sur les vis
XY du barreau.
8) A partir de la condition de stabilité de la cavité, déduire les positions possibles pour le
miroir de sortie. Enlevez le barreau du banc optique et placez le miroir de sortie. A l'aide
d'un diaphragme placé au point de focalisation. Réglez l'autocollimation de ce miroir en
agissant sur les vis XY de la monture du miroir.
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9) Enlevez le diaphragme et remettre le barreau en le centrant sur le point de focalisation.
Réglez la température à la valeur correspondant au maximum d'absorption du Nd:YAG
(courant de diode à un de 500 mA). Placez en sortie de la cavité le détecteur permettant de
caractériser le laser Nd:YAG que vous êtes en train de réaliser. Placer devant le détecteur
le filtre RG1000. Optimisez vos réglages afin d'avoir le maximum d'intensité :
Barreau au point de focalisation : déplacez légèrement le barreau
afin d'avoir un maximum sur le détecteur.
Autocollimation de la cavité : réglez les vis d'orientation des
miroirs afin d'avoir un maximum sur le détecteur.
Si vous ne détectez pas de signal en sortie de cavité ou si vous
avez une puissance inférieure à 1 mW après ces réglages, alors
vérifiez la propreté des optiques. Le nettoyage du barreau ne
doit être fait que par l'enseignant. Le nettoyage des optiques se
fait à l'éthanol pur et avec du papier optique.
Donnez les paramètres qui vous paraissent les plus critiques pour le réglage de
ce laser.
Dans le rapport, indiquez les positions des différents éléments du montage
après optimisation ainsi que les conditions dans lesquelles les mesures ont été
faites.
Tableau à faire remplir par l’enseignant et à mettre dans le compte rendu.
Nom Prénom réglage du laser note sur 4
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3 - MESURES ET COURBES
Une fois la cavité laser optimisée, réaliser les mesures suivantes avec le mesureur de
puissance. Vérifier que la gamme puissance choisie est bien la bonne.
1) P (laser à 1064 nm) = f (I mA diode laser)
En réglant la température à 25°C, faire varier le courant de la diode laser depuis le seuil du
laser Nd:YAG jusqu'à la valeur maximum. Tracer la courbe 4. Comparer les courbes 1) et
4), commentaires.
2) P (laser à 1064 nm) = f (T°C)= f (diode laser)
Régler le courant de la diode laser à 500mA, soit une valeur environ 50 % au-dessus du
seuil. Noter la puissance du faisceau laser 1064 nm en fonction de la température, variant par
pas de 2,5°C. Tracer la courbe 5. Effectuez la même mesure (courbe 6) pour un courant
de 700 mA. Comparer les courbes 2) et 5) d'une part, 3) et 6) d'autre part.
Commentaires.
3) P (laser à 532 nm) = f (I mA diode laser)
Introduire le cristal doubleur de fréquence à l'intérieur de la cavité au plus près du barreau
de Nd:YAG. Translater le cristal dans le plan perpendiculaire à l'axe de la cavité. Si le
faisceau vert n'est pas obtenu, augmentez légèrement l'intensité de la diode laser, en n'oubliant
pas d'ajuster la température afin d'avoir le maximum de gain. Lorsque le faisceau vert
apparaît, optimiser la cavité et le cristal afin d’obtenir le maximum de puissance à 532nm (ou
pour obtenir le seuil le plus bas pour ce laser Nd:YAG doublé). N'oubliez pas d'adapter votre
détection (entre autre, remplacer le filtre RG1000 par le BG18). En réglant la température à
25°C, faire varier le courant de la diode laser depuis le seuil de laser Nd:YAG doublé jusqu'à
la valeur maximum. Tracer la courbe 7. Comparer les courbes 4) et 7) commentaires.
-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-
REFERENCES
K. SHIMODA "Introduction to laser physics" Springer 1986.
A.E. SIEGMAN, "Lasers" Oxford Press
J.T. VERDEYEN, " Laser Electronics", Prentice-Hall International1989
L. TARASSOV, "Physique des processus dans les générateurs de rayonnement optique
cohérent", MIR Moscou, 1981
G. GRYNBERG, A. ASPECT et C. FABRE "Introduction aux lasers et à l'Optique
Quantique Ellipses" 1997
On rappelle que l’on ne regarde jamais un faisceau
laser directement en plaçant son œil en face !!!
Surtout, un laser impulsionnel !!
protection mises à votre disposition. Tout objet
réfléchissant (montre, gourmette, bague, …) doit
être enlevé.
Un laser est principalement caractérisé par les paramètres suivants :
Puissance de sortie
Polarisation
Diamètre et divergence du spot laser
Dans le cas où il s'agit d'un laser impulsionnel, il est également caractérisé par la
largeur l'impulsion temporelle, ainsi que le taux de répétition de cette dernière.
Dans ce TP, nous nous proposons d'essayer de mesurer ces deux derniers paramètres
pour un laser impulsionnel polarisé linéairement, émettant un spot laser TEM00 à la longueur
d'onde de 532 nm avec une puissance moyenne de sortie d'environ 10 mW. D'après les
données constructeur, ce laser a une largeur d'impulsion comprise entre 0,5 ns et 1 ns, et une
cadence de la dizaine de kHz.
Au cours de ce TP, vous allez essayer de mesurer cette largeur d'impulsion à partir de
deux méthodes. La première est une mesure directe à l'aide d'une photodiode et d'un
oscilloscope numérique. La seconde utilise un interféromètre de Michelson et la mesure de la
fonction autocorrélation () temporelle de l'onde électromagnétique émise par le laser.
A) Questions préliminaires et théoriques .
1. Sachant que le laser a une durée d'impulsion comprise entre 0,5 et 1 ns, donnez
approximativement les performances que devraient avoir l'oscilloscope et la photodiode.








et E Eentre spatial déphasage le représente
)cos()(2Re2
11
0
< > →Valeur moyenne dans le temps.
Avec () la fonction d'autocohérence, où est le retard temporel entre les deux bras de
l'interféromètre de Michelson. On a:







lim
Tm est le temps de mesure et il est très grand (∞) par rapport à la période de l'onde optique.
3. Donnez l'expression du retard temporel en fonction de D1 et D2 (fig.1).
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4. Montrez que si l'on considère que le champ émis par le laser a un profil temporel gaussien
de la forme tj
,alors () est également une fonction de forme gaussienne de
variable et de mi-largeur à max/e, tel que p 2 . On s’intéressera uniquement à la
dépendance en .
5. Donnez la relation entre la puissance moyenne d’un laser et la puissance crête d’une
impulsion. Calculez la densité spatiale de puissance crête pour une taille de faisceau laser
homogène sur une surface circulaire de rayon 1mm. Comparer cette valeur à la densité de
puissance du soleil au zénith qui est de 0,1w/cm 2 .
L'interféromètre de Michelson:
B) Mesure directe .
1. Mesurer cette durée d’impulsion et son taux de répétition à l'aide d'un oscilloscope et
d'une photodiode.
2. Que pensez vous de vos valeurs mesurées par rapport à celles attendues. Donner une
explication.
C) Mesure de la fonction d'autocorrélation.
1. Expliquez "avec les mains" (schéma) le principe de la mesure de la largeur d'impulsion de
notre laser avec un interféromètre de Michelson.
La fonction d'autocohérence () n'est pas directement mesurable. Cependant, elle est
contenue dans le terme d'interférence, et plus particulièrement dans le contraste C des franges
d'interférences, qui est facilement accessible avec une camera CCD. En effet, on a :
Ecran ou
compris entre 1 et 0
On en déduit alors que la fonction de contraste est directement proportionnelle à la fonction
d'autocohérence. On va donc mesurer expérimentalement la fonction de contraste C() en
fonction du décalage temporel , puis ajuster cette fonction par une loi gaussienne afin d'en
déduire la largeur de la fonction d'autocohérence, puis la durée d’impulsion p du laser. Il
est très important que…