Mise à jour le 7 Juin 2015
CONFÉRENCE DE Lucile JULIEN
Laboratoire Kastler-Brossel
« LE LASER, PRINCIPES ET RÉALISATIONS »
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI
Le Samedi 6 Juin 2015 à 15H00
à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.
Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
(Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en pdf) elle est disponible sur le site de la commission et également disponible sur ma liaison ftp au téléchargement et s'appelle. Lasers-SAF_6juin2015.pdf elle est dans le dossier COSMOLOGIE SAF de la saison 2014-2015).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Pour info les actualités cosmo présentées ce jour là sont aussi disponibles sur le site de la commission.
BREF COMPTE RENDU
Et en plus on peut voir et toucher un vrai Laser !
Lucille Julien : carrière au Laboratoire Kastler Brossel de physique quantique et applications et professeur émérite à l’UPMC Paris-6.
Le Laboratoire Kastler Brossel est un des acteurs majeurs de la physique fondamentale des systèmes quantiques dans le monde.
De
nombreux thèmes nouveaux sont apparus dans ce domaine comme l’étude de
l’intrication quantique ou la condensation de Bose-Einstein dans les
gaz, ce qui entraîne un renouvellement constant des recherches du
laboratoire.
Actuellement,
ses activités prennent des formes diverses : atomes froids (systèmes
bosoniques et fermioniques), laser à atomes, fluides quantiques, atomes
dans l’hélium solide; optique et électrodynamique quantique (en
particulier en cavité), mesures et information quantiques ; mesures de
haute précision, chaos quantique.
Ce laboratoire a eu trois Prix Nobel :
· Alfred Kastler en 1966 (mon Prof de
Thermodynamique en….1968)
· Claude Cohen-Tannoudji en 1997 (mon Prof de
MQ en 1968 aussi)
· Serge Haroche en 2012.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN LASER.
Le mot LASER est l’acronyme de
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
C’est à dire en français :
Amplification de Lumière par Émission Stimulée de Rayonnement
Pour comprendre son fonctionnement, il faut aller au niveau des atomes.
Un atome comprend autour du noyau des électrons qui ne sont pas n’importe
où, ils sont sur des « orbites » correspondants à des niveaux d’énergie bien définies (quantification).
On se
rappelle qu’un atome peut absorber un photon (s’il possède une certaine
énergie) et entre dans un état « excité », un électron peut
passer d’une couche à une autre.
Il
revient à son état fondamental en émettant un photon d’énergie égale à
la différence d’énergie entre les deux couches. En effet l’atome ne peut
absorber ou émettre de la lumière qu’à des fréquences bien
particulières (quantas).
C’est l’émission spontanée.
Mais l’effet Laser est basé sur un autre type d’émission, l’émission stimulée.
Il
existe une possibilité, prédite par Einstein en 1916 : quand on
envoie un photon dont l’énergie est exactement la différence d’énergie
entre deux états (ici E2-E1) sur un atome ; cela favorise la
transition de E2 vers E1.
Il y a
alors émission d’un photon identique (donc aussi même phase, même
direction…) au photon incident, donc effet multiplicateur.
Il y a émission stimulée.
Donc cela c’était le S (stimulated) du Laser, maintenant voyons le A (d’Amplification).
Comment amplifier la lumière stimulée ?
Rappelons
nous nos cours d’électronique, comment amplifier un signal : par
une boucle de contre réaction, on réinjecte à l’entrée une partie du
signale de sortie.
C’est le même phénomène qui donne naissance à l’effet Larsen quand un micro est trop près d’un haut parleur.
Et bien en optique, on va faire la même chose garce à des jeux de miroirs.
Il y a bien amplification de lumière.
Dans
le cas le plus simple (cavité Fabry-Perrot) avec seulement deux miroirs
comme on le voit sur le Laser amené par Me Julien pour cette
démonstration.
La
lumière fait des allers-retours entre les deux miroirs et sort par le
miroir de sortie qui ne réfléchit pas à 100%, ce qui permet d’observer
le « spot » Laser.
(Rouge ici sur la feuille de papier).
Afin
d’avoir un bon rendement dans ce processus, il faut s’assurer que le
niveau E2 soit le plus rempli possible, c’est ce que l’on appelle le pompage.
Il y a plusieurs méthodes pour y arriver qui seront expliquées plus loin.
Les premiers Lasers.
Le premier Laser date de 1960, inventé par Theodore Maiman de chez Hughes Research.
C’était un laser solide à rubis pompé par flash. Il émettait dans le rouge à 634nm.
Il est suivi de peu par le premier Laser à gaz, le laser Hélium-Néon d’Ali Javan des Bell Labs.
C’est le laser le plus répandu.
LES MILIEUX AMPLIFICATEURS : POMPAGE ….
Il y a différents types de Lasers :
·
Lasers à gaz : comme les lasers He/Ne ou CO2 ou ioniques Ar+ et Hg+
·
Lasers à liquides ou à colorants. On peut accorder la fréquence en fonction du colorant.
·
Lasers à solides. Les plus nombreux comme :
o Lasers à rubis
o Lasers à YAG (Grenat d’Yttrium et d’Aluminium) dopés au Nd (Néodyme) dans
le proche IR
o Lasers au Ti, en fait un aluminate dopé au Ti, large spectre
o Lasers à fibre optique dopé à l’Er (Erbium).
o Lasers à semi conducteurs qui vont donner naissance
aux diodes lasers, les plus vendues actuellement, elles ont une grande durée de vie et un très faible coût de fabrication.
Actuellement on étend la gamme des longueurs d’onde vers le bleu et l’UV et aussi vers l’IR lointain.
Les différents types de pompage.
Revenons au système de stockage des électrons sur le niveau supérieur E2.
Ce phénomène s’appelle donc pompage.
· Pompage électrique : celui utilisé par les
diodes Laser. Bon rendement
· Pompage
chimique : utilisé par les Lasers
gazeux, comme les mélanges de gaz rares : KrF ; XeBr…c’est une
réaction chimique qui se produit et fournit ainsi les ions. Ne
nécessitent donc pas d’électricité.
·
Pompage optique :
l’idée est qu’avec deux niveaux électroniques, on ne peut pas atteindre
une bonne inversion des populations pour peupler le niveau supérieur.
Il faudrait 3 ou 4 niveaux. C’est Alfred Kastler qui trouva la solution
avec ce que l’on a appelé le pompage optique. Il utilise des rubis dopés
au Cr qu’ils excitent avec des flashes de photons blancs. De la lumière
rouge est émise (694nm) avec ce laser à rubis (3 niveaux). Avec un
laser
He/Ne (comme celui en démonstration) il y a pompage sur 4 niveaux et
émission rouge aussi dans les 633nm.
Doublage ou triplement de fréquences, pour atteindre des couleurs impossibles à créer directement avec un cristal. (C’est le cas du vert ou du bleu par exemple).
On peut à partir d’une fréquence donnée passer dans un doubleur de fréquence et ainsi obtenir de nouvelles couleurs.
Par
exemple si on éclaire un cristal avec du 1064nm on peut ainsi favoriser
l’émission double de 532nm qui se trouve être dans le vert. Si on triple
on arrive à 355nm, le bleu.
Le pointeur vert !!
(Clic sur l’image pour plus de détails)
À part la diode Laser (en Nd/YVO4 émettant à 1064nm), on remarque le cristal doubleur en KTiOPO4 et le filtre IR de sortie.
Ces pointeurs lasers vert sont devenus les plus populaires, notamment en astronomie de plein air.
LES PROPRIÉTÉS DU RAYONNEMENT ÉMIS ET QUELQUES APPLICATIONS.
Un faisceau Laser, c’est de la lumière concentrée et cohérente spatialement et temporellement (faisceau monochromatique).
Les applications vont découler de ces propriétés.
· Cohérence spatiale :
o Matérialiser une ligne droite : dans le bâtiment niveau Laser, pointeur
Laser, spectacles, viser la Lune…
o Concentration de lumière sur une petite surface : découpe, nettoyage,
perçage, chirurgie notamment ophtalmo..
o Informatique : CD/DVD, imprimante Laser, code barre…
· Cohérence temporelle :
o Interférométrie : essai de mise en évidence d’ondes gravitationnelles :
expérience VIRGO par exemple, où on veut mesurer des déplacements de l’ordre de 10-18m !!!
o Spectroscopie et métrologie : le
LIDAR (Light Detection and Ranging)
DU LASER MONOCHROMATIQUE AU LASER BLANC.
Les
premiers Lasers fonctionnaient avec des flashes de lumière, ensuite avec
des impulsions de plus en plus rapides (de l’ordre de la nanoseconde).
Récemment on se lance dans une course frénétique aux impulsions ultra courtes autour de la femtoseconde (10-15s !!!)
Ces Lasers pulsés sont utilisés pour :
· Mesurer les distances (Terre-Lune par
exemple, la Lune s’éloigne de nous de l’ordre de 4cm/an), distance mesurée (notamment en France au Plateau de Calern) grâce à un Laser YAG double pulsé.
· Mesurer les vitesses : sur les routes par
exemple
· En médecine : ophtalmologie laser.
Le futur : les lasers femtosecondes !
Notre conférencière en pleine action !!!
Merci pour cette très intéressante présentation couvrant tous les domaines du Laser.
POUR ALLER PLUS LOIN :
Les LASERS et leurs applications – II (les différents Lasers) par Sébastien Forget Paris Nord
Le Laser par le CEA.
Introduction aux LASER-I. Physique atomique et principes de base par Nicolas Delerue du LAL Orsay
Introduction aux Lasers-II Lasers avancés par Nicolas Delerue du LAL Orsay
Introduction aux Lasers-III Utilisations par le même
Un livre indispensable :
Le Laser par Fabien Bretenaker et Nicolas Treps chez EDP Sciences
20€
Jean Pierre Martin SAF Président de la Commission de Cosmologie
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PROCHAINES RÉUNIONS DE LA COMMISSION DE COSMOLOGIE :
Notez dès à présent les dates des prochaines réunions : toujours à 15H au siège 3 rue Beethoven P16
Nous sommes satisfaits de la nouvelle réorganisation de la salle. Merci d’avance de votre aide.
· Samedi 12 Septembre 2015 à 15H00 sujet à
déterminer, merci pour vos propositions
· Samedi 14 Novembre 2015 à 15H000 idem.
Notez dès à présent la date de la journée des commissions de la SAF : le samedi 13 Juin 2015
à l’École des Mines, on apprécierait votre présence pour cette journée
que l’on essaie de renouveler dans sa structure. (Invité
surprise !!!)
Marquez ces dates dans vos agendas