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.

 

 

http://www.google.fr/url?source=imglanding&ct=img&q=http://www.univers-astronomie.fr/images/123-absorption-emission.png&sa=X&ei=TQp0VezxHMb3Uo6rgcgE&ved=0CAkQ8wc4Kg&usg=AFQjCNHdwXyUFKiaK8f9hegwrmywhwlktwUn 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.

 

Emission induite

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 50 ans du Laser au CNRS.

 

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

www.planetastronomy.com

Abonnez-vous gratuitement aux astronews du site en envoyant votre e-mail.

 

 

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