Les LASERS et leurs applications - V V.pdflaser, nous avons déjà la solution et nous cherchons le problème” Phrase devenue célèbre attribuée à Pierre Aigrain, ancien secrétaire

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 -- VV

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”)


CinquièmeCinquième partiepartie

Lasers Lasers àà impulsion “impulsion “ultracourtesultracourtes””Le Le verrouillageverrouillage de modes (“modede modes (“mode--lock”)lock”)

Principe physiquePrincipe physiqueRéalisationRéalisation pratiquepratique : : exempleexemple dudu Ti:SaTi:Sa

Les impulsions Les impulsions femtosecondesfemtosecondes ((fsfs))ApplicationsApplications

TraitementTraitement des des matériauxmatériauxMédecineMédecineVersVers la “physique de la “physique de l’extrêmel’extrême”….”….


Le Le verrouillageverrouillage de modesde modes“mode locking”

• technique du Q-switch : la durée des impulsions est au minimum égale au temps mis par les photons pour faire un aller-retour dans la cavité : durée minimale ~ ns

• Pour des durées plus courtes (par ex 100 fs), la durée de l’impulsionn’est plus infiniment grande devant la période lumineuse

Ex : à λ = 800 nm, T= λ/c = 2,6 fs : une impulsion de 100 fs contient donc seulement 40 périodes

→ le spectre d’une impulsion courte n’est donc pas monochromatique (transformation de Fourier)

Mode-Lock


Gain

ModesModes longitudinauxlongitudinaux

BoundaryCondition:

Allowed Modes:

Mode Distance: = const.

http://nano.jyu.fi/summerschool06/lectures/Baumert2.ppt

Mode-Lock


Le Le verrouillageverrouillage de modesde modes

Mode-Lock



Mode-Lock


Addition de Addition de modesmodes en en phasephase

δν

Inte

nsity

νn Frequence

Champ électrique total :

Supposons les modesen phase et de mêmeamplitude :

ν0

Additionnons N sinusoides de fréquences δννδννδννν )1(,,2,, 0000 −+++ NK

(pour le montrer : passer par les exponentiellescomplexes : c’est une simple suite géométrique)

Fréquence centrale

Mode-Lock


Addition de 1,2,4,6 Addition de 1,2,4,6 modesmodes en en phasephase

Puissance crête :

Durée des impulsions :

Nombre de modes

Écart entredeux modes

battements

Mode-Lock



Mode-Lock


VerrouillageVerrouillage de modesde modes

Résumé :

C/2L fréquence

Pour faire des impulsions courtes il faut :

- Beaucoup de modes (N grand) : matériau laser avec une large bande d’amplification (Titane-saphir, colorant, erbium…)

- la durée des impulsions ne dépend que de la largeur de la courbe de gain si tous les modes sont en phase : ∆t = 1/∆ν

- ex : ∆t (Nd:YAG) ≈ 10 ps ; ∆t (Ti:Sa) ≈ 10 fs

-- la cadence ne dépend que de la longueur de la cavité f = c/2L

∆ν

Mode-Lock


Comment faire ?Comment faire ?Principe : favoriser le fonctionnement impulsionnel par rapport au fonctionnement continu

Il faut donc que pertes (continu) > pertes (pulsé)Exemple : Utilisation de l’effet Kerr

Regime continu (faible Intensité, n = constant)

n = n0+n2.I

Fortes pertes ! diaphragme

Indice plus fort si I plus fortEffet de lentille dû au

profil gaussien du faisceaulaser

Mode-Lock


Comment faire ?Comment faire ?Principe : favoriser le fonctionnement impulsionnel par rapport au fonctionnement continu

Il faut donc que pertes (continu) > pertes (pulsé)Exemple : Utilisation de l’effet Kerr

Regime Pulsé, I très grand

n = n0+n2.I

Pertes Faibles ! diaphragme

Indice plus fort si I plus fortEffet de lentille dû au

profil gaussien du faisceaulaser

Mode-Lock


ExempleExemple : le laser : le laser TitaneTitane--saphirsaphir

Argon

Nd:YAG 2ω

∆λ ~ 400 nm !

(∆ttheo~5 fs) Laser pompé en continu (quelques W) avec un laser vert (argon à 488 nm ou Nd:YAG suivi d’un cristal doubleur pour générer un faisceau à 532 nm)

Typiquement : ~1W à 100MHz durée 100 fs soit 100 kW de puissance crête (10 nJ/impulsion)

TiTi3+3+: Al: Al22OO33

Pompage par diodes laser IMPOSSIBLE (iln’existe pas de diodes laser vertes de puissance)


Impulsions femtosecondesImpulsions femtosecondes

Interêts :•Etude de phénomènes ultrarapides (ex: dynamiquedes protéïnes

•Physique des hautes intensités (Pcrête=E/durée)

•Génération de nouvelles fréquences (effets non linéaires importants)

Projet Teramobile

Génération de Continuum

Mode-Lock


Traitement des matériauxTraitement des matériaux

••Usinage AthermiqueUsinage Athermique••Impulsions Impulsions fsfs (ultra (ultra brèvesbrèves))

••Champ Champ éléctriqueéléctrique trèstrès élevéélevé

••ArrachementArrachement des des électronsélectrons des couches des couches externesexternes

••CréationCréation d’ionsd’ions positifspositifs qui se qui se repoussentrepoussent

••Ejection de Ejection de matièrematière sans sans échauffementéchauffement

Mode-Lock


Traitement des matériauxTraitement des matériaux

••Usinage AthermiqueUsinage Athermique••Impulsions Impulsions fsfs (ultra (ultra brèvesbrèves))

••Champ Champ éléctriqueéléctrique trèstrès élevéélevé

••ArrachementArrachement des des électronsélectrons des couches des couches externesexternes

••CréationCréation d’ionsd’ions positifspositifs qui se qui se repoussentrepoussent

••Ejection de Ejection de matièrematière sans sans échauffementéchauffement

Mode-Lock


Laser Laser fsfs en médecineen médecineAlternative au LASIK : le laser Alternative au LASIK : le laser femtosecondefemtoseconde

Mode-Lock


ChaîneChaîne femtosecondefemtosecondeIntérêt majeur des impulsions fs : Pcrête très élevée car l’énergieapportée par la pompe (souvent continue) se trouve concentrée pendant des durées très brèves

(ex : 10 fs, 1W, 100 MHz 1 MW)

Impossible à amplifier directement sans exploser le milieu amplificateur !!!

1 MW Ampli x100

100 MW

Solution : “Chirped Pulse Amplification” (amplification d’impulsions étalées spectralement)

= tirer parti du fait que l’impulsion a un spectre large

Mode-Lock


Principe CPAPrincipe CPA

(ns)

(fs)

(fs)

Laser Ti-Sa faiblepuissance

Mode-Lock


Lasers ultraLasers ultra--IntensesIntensesEx : Chaîne Ti-Sa (Japon, 2003)

0.85 PW (850 trillions de Watts…), 33 fs

La chaine 100 TW du LULI

1 PetaWatt = 1015 W

Mode-Lock


La physique de La physique de l’extrêmel’extrême……

““Fast ignition” : coupler un laser Fast ignition” : coupler un laser PetawattPetawatt ((fsfs) ) avec un laser avec un laser megajoulemegajoule (ns) pour (ns) pour accéléreraccélérer la la fusion fusion thermonucléairethermonucléaire

en en focalisantfocalisant le laser PW on le laser PW on peutpeut atteindreatteindre des des densitésdensités de puissance de puissance jamaisjamais atteintesatteintes~10~1021 21 W/cm² : simulation des conditions W/cm² : simulation des conditions extrêmesextrêmesrégnantrégnant au au coeurcoeur des des étoilesétoiles

Mode-Lock


La physique de La physique de l’extrêmel’extrême……

Mode-Lock


ConclusionConclusion

À À méditerméditer : : ““NousNous avonsavons l’habitudel’habitude d’avoird’avoir un un problèmeproblèmeet de et de chercherchercher uneune solution. solution. DansDans le le cascas dudulaser, laser, nousnous avonsavons déjà la solution et déjà la solution et nousnouscherchonscherchons le le problèmeproblème” ”

Phrase Phrase devenuedevenue célèbre célèbre attribuéeattribuée àà Pierre Pierre AigrainAigrain, , ancienancien secrétairesecrétaire d’état d’état àà la la rechercherecherche, , chercheurchercheuret et membremembre de de l’académiel’académie des sciences, des sciences, peupeu après après 1960 (date de 1960 (date de l’inventionl’invention dudu laser)laser)


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Les LASERS et leurs applications - V V.pdflaser, nous avons déjà la solution et nous cherchons le problème” Phrase devenue célèbre attribuée à Pierre Aigrain, ancien secrétaire