Chapitre 3 COM 101 Optique et photonique 1re

Chapitre 3 COM 101 Optique et photonique 1ère année Le laser Renaud GABET Bureau A 305 gabet@enst. fr

Plan 1. Principe de l’émission de lumière 2. Le rayonnement thermique 3. Les transitions radiatives : La luminescence a) Transitions spontanées (LED, sources superfluorescentes) b) Transitions stimulées : absorption et émission (Amplificateurs optiques) 4. Les lasers a) La cavité résonnante b) Le laser c) Caractéristiques principales d’un faisceau laser page 1 COM 101 Chap 3 : Le laser

Principe de l’émission de lumière Matière (ex: Silice) Molécule (ex: eau) Atome Une particule chargée oscille à la fréquence E B Elle crée une onde électromagnétique de fréquence COM 101 Chap 3 : Le laser

Principe de l’émission de lumière Antenne émettrice Antenne de réception Source de courant Un conducteur parcouru par un courant alternatif crée une onde EM Une onde EM crée un courant alternatif dans un fil conducteur COM 101 Chap 3 : Le laser

Plan 1. Principe de l’émission de lumière 2. Le rayonnement thermique • Principe d’émission • Propriétés de la lumière émise 3. Les transitions radiatives : La luminescence 4. Les lasers page 4 COM 101 Chap 3 : Le laser

Le rayonnement thermique Principe d’émission Température agitation thermique charges en mouvement émission d’ondes EM! Rayonnement thermique (Max Planck, 1858 -1947) Loi de Rayleigh-Jeans (basses fréquences) Loi de Wien (hautes fréquences) Loi spectrale du rayonnement d'un corps noir (1901) Densité volumique et spectrale d’énergie page 5 COM 101 Chap 3 : Le laser

Le rayonnement thermique Caractéristiques du rayonnement émis Lumière blanche ٥ Le rayonnement thermique est désordonné (incohérent) ٥ Toutes les directions ٥ Toutes les couleurs (spectre de plusieurs téra-Hertz de large) page 6 COM 101 Chap 3 : Le laser

Le rayonnement thermique Différentes sources de lumière Les sources de lumière sont en général produites par un rayonnement thermique page 7 COM 101 Chap 3 : Le laser

Plan 1. Principe de l’émission de lumière 2. Le rayonnement thermique 3. Les transitions radiatives : La luminescence a) Transitions spontanées (LED, sources superfluorescentes) • Définitions • Les différents types de luminescence • Durée de vie d’un état excité • Propriété spectrale d’un émission spontanée • Les sources superluminescentes : La LED et la source « blanche » à fibre dopée à l’Erbium b) Transitions stimulées : absorption et émission 4. Les lasers page 8 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Définition Plusieurs mécanismes de transitions atomiques dans un atome: Transitions atomiques possibles entre deux niveaux d’énergie |a> et |b> Transition atomique Échange d’énergie 1) Non radiative : Émission de phonons (= énergie cinétique = quantum d’énergie de vibration du cristal) 2) Radiative: Absorption ou génération de photons Einstein (1917) Eb Absorption h = Eb-Ea Ea Eb Émission spontanée Ea Eb Émission stimulée h = Eb-Ea page 9 h -E a b E = COM 101 Chap 3 : Le laser Ea h = Eb-Ea

Les transitions radiatives : La luminescence Émission spontanée : définition et propriétés Plusieurs manières d’exciter un atome Eb Ea h -E a b E = État fond. Seul état stable ٥ ٥ Le rayonnement spontané est désordonné (incohérent) = pas de relation de phase entre les différentes émissions Toutes les directions Quantifié … même si spectre ressemble à un continuum ou quasi-continuum (élargissement par effet Doppler, collisions entre atomes, agitation thermique, , , ) Toutes les couleurs : spectre de plusieurs nanomètres de large thermique >> Émission spontanée >> Laser >qq. µm qq. nm pm 0. 01 fm page 10 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les sources luminescentes Les transitions radiatives : La luminescence Émission spontanée : Exemples Chimiluminescence Fluorescence (10 -9 à 10 -6 sec) / Phosphorescence (10 -3 à 10 sec) Fluorescence du phosphore Bioluminescence page 11 Électroluminescence COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Émission spontanée : Durée de vie d’un état excité Durant l’intervalle dt, la population Nb de l’état excité diminue de : À la population de l’état dépeuple l’état |b>de Proba de à la passer durée d’observation l’état |b>haut à l’état |a> Aba= 1/ = 1 er coefficient d’Einstein Si on intègre : Remarque : A t=0, Nb 0>Nb équ. therm. = durée de vie des états excités • Dépend du matériau • qq. ms pour les terres rares • Dépend de la transition • < ns pour les semiconducteurs page 12 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Émission spontanée : Propriétés spectrales Poptique h Nb de désexcitations de |b> vers |a> par seconde h Aab Nb(t) e(-t/ ) Lorenzienne Gaussienne T F Largeur théorique Élargissement de la largueur théorique : En pratique, les raies sont plus larges que théoriquement pour diverses raisons : • Niveaux d’énergie non discrets largeur E On appellera g( ) la largeur réelle • Effet doppler de la source luminescente • Chocs entre particules • … page 13 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Émission spontanée : Les sources Blanc chaud (2670 K à 3500 superluminescentes K) Matériau : semiconducteur La LED : cas particulier : la LED Blanche Blanc neutre (3500 K à 4500 1ère LED : 1962 1) Diodes Bleue + Phosphore K) Banc froid (4500 K à 10 000 K) Halo jaune/vert Puissance optique (u. a. ) Blanc froid et variations de teinte Blanc chaud 350 450 550 650 750 Longueur d’onde (nm) • Progrès constant à chaque sortie de nouveaux produits CM 101 Chap 3 : Le laser • Différentes variétés de phosphore • Possibilité de plusieurs couches de différents phosphore pour élargir le page 14 spectre

Les transitions radiatives : La luminescence Émission spontanée : Les sources superluminescentes La LED : cas particulier : la LED Blanche 2) Diodes RVB Couleurs primaires + Coloris sans limite et ajustables - Assemblage complexe - Difficile de faire de la haute puissan 3) Diode UV + Phosphore • Idem Bleu + phosphore • Pb de l’UV (très énergétique) qui dégrade le phosphore 4) … page 15 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Émission spontanée : Les sources superluminescentes Source blanche à fibre dopée Erbium Puissance (d. Bm) Courbe de gain g( ) 12. 5 THz !!! Bande passante -45 -50 -55 -60 -65 -70 1. 52 1. 58 1. 56 1. 54 Longueur d’onde (µm) 1. 60 Source blanche du domaine des télécoms ! page 16 COM 101 Chap 3 : Le laser

Plan 1. Principe de l’émission de lumière 2. Le rayonnement thermique 3. Les transitions radiatives : La luminescence a) Transitions spontanées (LED, sources superfluorescentes) b) Transitions stimulées : absorption et émission • Absorption • Émission induite • Les équations d’Einstein • L’amplification optique : nécessité d’un pompage • Inversion de population par pompage • L’amplificateur optique (EDFA, Semiconducteur) 4. Les lasers page 17 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Absorption Eb h = Eb-Ea Ea Durant l’intervalle dt, la population Nb de l’état excité augmente de : Proba passer de l’état à bas l’état |b> Peuple l’état |b> de À la de |a> l’état àpopulation la durée d’observation au nombre de photon incident à ième coefficient d’Einstein B = 1/ = 2 ab fréquence : ( ) chaque ( ) = densité spectrale énergétique du rayonnement incident page 18 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Émission induite ou stimulée Eb h = Eb-Ea Ea h = Eb-Ea Dépeuple l’état |b>durée laàpopulation de|b> l’état haut |a> Proba deÀ passer de l’état à l’état la d’observation au. Bnombre photon incident à ième coefficient d’Einstein = 1/ de = 3 ba chaque fréquence : ( ) = densité spectrale énergétique du rayonnement incident Propriétés du photon émis : Clone du photon incident ! • Même phase • Même fréquence Amplification cohérente ! • Même direction • Même polarisation page 19 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Equations d’Einstein On considère un état stationnaire autant de transitions de |b> vers |a> que de |a> vers |b> Émission spontanée + Émission stimulée = Absorption |b> vers |a> page 20 COM 101 Chap 3 : Le laser |a> vers |b>

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Amplification optique Nécessité d’un pompage : inversion de population Probabilité d’occupation d’un état d’énergie E Statistique de Maxwell-Boltzmann (Voir MNP PHY 101) Densité volumique et spectrale d’énergie (rappel rayonnement thermique) Donc devient : = 0 Cette équation doit être vérifiée quelque soit la température ! page 21 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Amplification optique Nécessité d’un pompage : inversion de population Bab = Bba On constate donc que la probabilité d’émission stimulée est égale à la probabilité d’absorption stimulée ! Or, d’après Nb/ Na Nb < Na Naturellement : Absorption > Amplification Pour avoir un milieu amplificateur, il faut inverser ce rapport Soit I(z) l’évolution de l’intensité d’une onde qui traverse le milieu : Naturellement positif ! Si on veut une amplification, on doit avoir Nb > Na Inversion de population Pompage 22 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Amplification optique Nécessité d’un pompage : inversion de population (Hz) h (e. V) h /k. T Nb/Na 100 nm (UV) 3. 1015 12. 38 495 10 -215 500 nm (visible) 6. 1014 0. 25 9. 9 5. 10 -5 Très difficile de réaliser un laser UV 10µm (IR) 3. 1013 4. 95 0. 01 Pompage 0. 12 extrêmement fort! 15 -3 1 mm (Hertzien) 3. 10 1. 24 10 0. 005 0. 95 Laser. Rapport Excimer (chirurgie raisonnableocculaire) (Excimer molécule stable à l’état excité!) Rapport proche: de laser Inverser ce rapport est facile ! 1 ers en 1960 MASER (source cohérente Hertzienne) Fonctionnant à 0, 85µm inventé en 1953 à l'université Columbia par Charles Townes, James Gordon et Herbert Zeiger. maser à ammoniac page 23 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Amplification optique Différents type de pompage • Pompage optique : Absorption d’un photon Modèle à deux niveaux d’énergie pas efficace Nécessité d’un modèle à 3 ou 4 niveaux Laser Solide Nd YAG, Lasers et amplificateurs à fibres dopées terr • Pompage électronique : Passage d’un courant dans une jonction PN Apparition d’e- dans la bande de conduction / trous dans la bande de valen (niveau supérieur) (niveau inférieur) Recombinaison de paires électrons/trous Émission de lumière LED, Laser à semiconducteur • Pompage Collisionnel : Décharge électrique dans un gaz collisions électrons / atomes Inversion de population Laser à gaz (ex : He. Ne) COM 101 Chap 3 : Le laser page 24

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Amplification optique Principe de fonctionnement Cascade de clonage de photons : Guide amplificateur née onta p s sion Emis uidée g non Photon incident amplifié + Émission spontanée amplifiée Photon incident Emission spontanée Amplifiée Contra-propagative = Atome amplificateur excité Puissance optique P 1=GP 0 Milieu amplificateur P 0 page 25 Signal incident amplifié COM 101 Chap 3 : Le laser ASE

Les transitions radiatives : La luminescence an n di ra io sit n no ive at 4 I Sortie Amplification en ligne Pas de conversion opto-électronique Tr 11/2 Po e 4 I MUX Isolateur m Fibre dopée Er 3+ 10 m mp Signal pe Po Transitions induites : Amplification optique L’amplificateur Erbium : Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) 14 ms Temps de vie long : BP = 1/14 ms = 70 Hz Amplification Pas de variation de gain entre les 980 nm 0 et les 1 pour les signaux modulés 1550 nm 4 I haut débit 15/2 Pas de déformation du signal sauf COM 101 Chap 3 : Le laser l’ajout d’ESA page 26 Pompage optique 13/2

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Amplification optique L’amplificateur Erbium : Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) Absorption (d. Bm/m) Spectre d’absorption de l’Er 3+ 10 cm Longueur d’onde (µm) page 27 COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Amplification optique L’amplificateur à semiconducteur Système à deux niveaux 2 cm qq. mm page 28 Temps de vie très court : BP = qq GHz Variation de gain entre les 0 et les 1 pour les signaux modulés haut débit Déformation du signal : inadapté pour l’amplification optique en COM 101 Chap 3 : Le laser

Les transitions radiatives : La luminescence Transitions induites : Amplification optique Comparaison des différents types d’amplificateurs http: //www. fiber-optic-tutorial. com/comparison-of-different-optical-amplifiers. html page 29 COM 101 Chap 3 : Le laser

Plan 1. Principe de l’émission de lumière 2. Le rayonnement thermique 3. Les transitions radiatives : La luminescence 4. Les lasers a) La cavité résonnante b) Le laser c) Caractéristiques principales d’un faisceau laser page 30 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser Généralité LASER : Light Amplification of stimulated emission of radiation Milieu amplificateur Cavité résonante page 31 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser La cavité résonante Toutes sortes de cavités : - Miroirs plan / plan (cavité Fabry Perot) - Miroirs plan / concave - en anneau - à fibre - etc. (r, t) Problème d’interférences à ondes multiples (r, t) n X P f e Cavité FP Détecteur Lentille r=r 1=r 2 et t=t 1=t 2 page 32 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser La cavité résonante Si Amplitude de l’onde transmise : C’est une suite géométrique de raison , Puisque R<1, on trouve après sommation : Intensité de l’onde transmise : page 33 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser La cavité résonante Si petit (autour du pic centré autour de ) = Lorenzienne La fonction d’Airy est donc constituée d’une succession de pics dont le profil est lorenzien Remarque : Plus R , plus page 34 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser Le milieu amplificateur plongé dans une cavité résonante Milieu amplificateur e tané n o p s sion Emis uidée g non Photon spontané = Atome amplificateur excité 1. Allumage du laser Génération de photons spontanés 2. Si photon spontané dans la direction aux miroirs Amplification du photon spontané 3. Réflexion sur les miroirs 4. Si longueur d’onde du photon spontané pas adapté à la cavité Interférences destructives COM 101 Chap 3 : Le laser page 35 Extinction de l’onde

La laser Condition d’obtention de l’effet laser Pour que l’onde continue à croître, il faut que le gain compense les pertes dues aux réflexions et à l’absorption du milieu et des miroirs Condition de gain pour entretenir l’oscillation Gain aller-retour = Pertes aller-retour Existence d’un seuil Popt Pompage Il faut également qu’après un aller-retour, l’onde revienne en phase avec ellemême Condition de phase pour entretenir l’oscillation aller-retour = 2 k avec k entier page 36 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser : Fonctionnement en fonction du Sous le seuil Gain < Pertespompage Courbe de gain g( ) du milieu amplificateur I Pertes dans la cavité c/2 nd Courbe de gain filtrée par la cavité : Emission spontanée Amplifiée Filtr Au dessus du seuil Gain = pertes I Spectre d’un laser Fabry-Pe Quand le pompage augmen page 37 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser Propriétés : La monochromaticité de son rayonnement Laser Lumière naturelle : Qq micromètres Laser : Qq centimètres au kilomètre! page 38 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser Propriétés : La cohérence spatiale de son rayonnement ~ Laser = 650 nm Lumière blanche page 39 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser Propriétés : Des impulsions ultra-courtes possible • la durée des impulsions de lumière produites peuvent être réduites à quelques 10 -17 s (10 attosec ou 10 trillionième de sec, record) ! Dans ce cas, la source est alors très large spectralement. • Ex. d’application : Résultat d’un perçage avec un laser nanoseconde (à gauche) et avec un laser femtoseconde (à droite) : la découpe au Laser Mégajoule laser femtoseconde est plus « propre. Durée 20 ns, Energie Megajoule Découpe Combinaison de 240 faisceaux laser fournissant 7, 5 k. J chacun Chirurgie (œil, cerveau…) fusion thermonucléaire page 40 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser Propriétés : Des impulsions ultra-courtes possible Source impulsionnelle Spectre large Grâce au large spectre du continuum, on peut même détecter plusieurs espèces à la fois page 41 COM 101 Chap 3 : Le laser

La laser Propriétés : La polarisation de son rayonnement Le soleil page 42 Le laser : potentiellement polarisé… COM 101 Chap 3 : Le laser