Les LASERS et leurs applications Sbastien FORGET Matre
Les LASERS et leurs applications Sébastien FORGET Maître de conférences Laboratoire de Physique des Lasers Université Paris-Nord
Plan général du cours l I. Les principes de base du laser l l l II. Fonctionnement des lasers l l Les sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturation 3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquence III. Les différents types de fonctionnement l l l Continu Impulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modes l. IV. Les différents lasers et leurs applications l. Liquides l. Gazeux l. Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) l. Quelques notions d’Optique non-lineaire l. Exemples d’applications Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Plan général du cours l I. Les principes de base du laser l l l II. Fonctionnement des lasers l l Les sources de lumières Les caractéristiques du rayonnement LASER – Sécurité laser Principe génértal de fonctionnement Les équation heuristiques et la saturation 3 ou 4 niveaux Cavité laser : stabilité, faisceaux gaussiens Condition sur le gain et les pertes, sur la fréquence III. Les différents types de fonctionnement l l l Continu Impulsionnel déclenché Impulsionnel à verrouillage de modes l. IV. Les différents lasers et leurs applications l. Liquides l. Gazeux l. Solides (cristallin / semiconducteurs / fibres) l. Quelques notions d’Optique non-lineaire l. Exemples d’applications Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
I. Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière 1. Sources thermiques 2. Sources « luminescentes » 3. Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
introduction l Séance 1 Qu’est ce que la lumière ? Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
introduction l Une onde le plus souvent Lambda=c. T Polarisation Phase Energie E = h. v Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
X UV 1 nm 10 -4 10 -3 Infrarouge 10 -2 1018 1017 1016 Fréquence (x 3 Hz) 10 -1 1µm 10 Peta. Hz 1015 Micro-onde 100 µm 1 mm 100 nm Exa. Hz Séance 1 Visible Hyperfréquences 102 103 1 cm 1013 1012 10 cm 1 m 104 105 106 Longueur d’onde (µm) Tera. Hz 1014 Radio Gamma introduction Giga. Hz 1011 1010 109 108 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
I. Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière 1. Sources thermiques 2. Sources « luminescentes » 3. Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les sources thermiques Emission consécutive à un chauffage l Emission de type « corps noir » l l Séance 1 Soleil Lampes à incandescence (ampoules) Halogènes Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le corps noir l Définition : c’est un corps théorique qui absorbe tous les rayonnements qu’il reçoit. Toute l’énergie thermique ainsi emmagasinée est restituée à l’extérieur sous forme de rayonnement, donc d’ondes électromagnétiques. l Remarque : le corps noir tel qu’il est décrit dans la définition est un objet théorique qui n’existe pas. Cependant on peut s’en approcher (par exemple un morceau d’aluminium peint en noir mat, ou un trou dans une « boite noire » , est un corps noir acceptable). Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
La loi de Planck l Historique : début XXème siècle… l La loi du corps noir est mal décrite par la théorie : Loi de Wien : marche bien pour λ courtes l Loi de Rayleigh-jeans : OK pour λ longues l « Catastrophe UV » Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
La loi de Planck l Séance 1 Révolution : Planck introduit le principe des « quanta » ! : Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Loi de déplacement de Wien l λmax. T = Constante = 2898 ~ 3000 Avec T = temperature, en Kelvins (Rappel : T(°C) = T(K)-273. 15)) Et λmax = longueur d’onde correspondant au max. de la courbe Ex : T=2500 K donne λmax = 2898/2500 = 1. 16 µm Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Courbes Corps Noir Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Courbes Corps Noir Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Emission du corps noir à différentes températures (normalisée) T=3400 K T=1600 K T=6000 K (soleil) Séance 1 T=10000 K Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les sources thermiques La lampe à incandescence Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les sources thermiques Ampoules classiques sous vide : on chauffe un filament de tungstène (W)sous vide jusqu'à environ 2500 K (on ne peut pas chauffer beaucoup plus car le tungstène fond). max = 1, 14 microns. durée de vie = 1000 heures environ Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les sources thermiques Ampoules à atmosphère : On place le filament de tungstène non plus sous vide mais dans une atmosphère de krypton (ou de mélange azote – argon) qui permet de réduire la vitesse d’évaporation du tungstène. Durée de vie de l’ampoule plus longue OU durée de vie = 1000 h mais à plus haute Temperature (2830 K) : soit max = 1 micron Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les sources thermiques l Caractéristiques l l l Séance 1 Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission polychromatique (grande largeur spectrale) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
I. Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière 1. Sources thermiques 2. Sources « luminescentes » 3. Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les sources luminescentes l Emission « atomique » l Séance 1 Les caractéristiques du rayonnement ne peuvent être comprises qu’en descendant à l’échelle de l’atome ! Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe l Modèle de l’atome de Bohr Énergie En … E 3 E 2 E 1 E 0 Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Absorption/Émission l Passage entre les niveaux d’énergie par absorption/émission de lumière : Temps caractéristique = durée de vie du niveau = Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Absorption Ee E h Ef Etat « fondamental » Ee Excitation peut provenir • de l’absorption de photons (ci contre) • De chocs avec les électrons (excitation électrique) Séance 1 E Ef Etat « excité » Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Émission Ee E Ef Etat « excité » L’énergie du photon émis par luminescence entre les deux niveaux d’énergie E 1 et E 2 est hυ = E 2 – E 1 = ΔE • Où ΔE est la valeur du « saut » d'énergie (en joules) • υ est la fréquence de l'onde émise (en hertz), sa longueur d'onde vaut alors λ = c / υ Ee E h Ef Etat « fondamental » • h est la constante de Planck et vaut 6, 64 10 -34 J. s Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Émission Plusieurs fréquences peuvent être émises car il existe de nombreux niveaux !!! Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le néon (Ne) émet essentiellement dans le rouge Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le Sodium (Na) émet essentiellement dans le jaune-orangé Basse Pression Haute Pression Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications Les Lampes à décharge Excitation électrique Exemple : le Mercure (Hg) émet essentiellement dans le blanc bleuté À basse pression : + d’UV Médecine, bronzage, « lumière noire » Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications Les lampes à fluorescence Excitation lumineuse Le « tube fluorescent » Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications Le « tube fluorescent » Sans poudre fluorescente Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les sources luminescentes l Caractéristiques l l l Séance 1 Emission isotrope (4 pi stéradians) Emission incohérente (pas de relation de phase) Emission polychromatique (grande largeur spectrale) ou quasi – monochromatique (raies) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
I. Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière 1. Sources thermiques 2. Sources « luminescentes » 3. Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les Lasers l Caractéristiques l l l Séance 1 Emission directionnelle Emission cohérente (relation de phase) Emission quasi – monochromatique Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
I. Les principes de base du laser Introduction A. Les sources de Lumière 1. Sources thermiques 2. Sources « luminescentes » 3. Lasers B. Les caracteristiques du rayonnement laser C. Principe général de fonctionnement D. Equations et saturation Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Directivité Laser = concentré spatial de lumière l Divergence faible (mais non nulle) l Densité de puissance élevée l Possibilité de focaliser sur de très petites surfaces ( environ lambda²) l → Conséquence de cette concentration dans l’espace : Densités : de Puissance énormes ! Ordre de grandeur : laser 10 W à λ = 500 nm (vert) : densité de puissance max (=Puissance/surface) = 10/(0, 5. 10 -6)² = 4 GW/cm 2 Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Monochromaticité l Laser = concentré spectral de lumière l Ou presque… (plus de détails plus tard !) Mais pas toujours… Largeur de raie très faible : autour de 1 MHz l l De plus, les ondes emises sont en phase entre elles : il est possible de faire des interférences Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Puissance Pas forcement plus qu’une grosse lampe (10 à 100 W en continu), mais concentré spatialement et spectralement l Souvent aussi : concentré temporellement (impulsions très courtes, ns à fs) l Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Résumé Ampoule classique • Polychromatique • Isotrope Laser • Monochromatique • Directive • Cohérente • Incohérente Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Sécurité Laser l Séance 1 Crucial en raison des spécificités du laser Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Sécurité Laser Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
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Sécurité Laser La norme appliquée en Europe est la norme européenne NF EN 60825 -1/A 2 « sécurité des appareils à laser, classification des matériels, prescription et guide de l'utilisateur » . Cette norme est à la base des programmes de mise en application de la sécurité laser en industrie, médecine et en recherche. La norme NF EN 60825 -1/A 2 pour la sécurité des appareils à laser fournit des informations sur le classement des lasers pour la sécurité, les calculs de sécurité laser, les mesures de contrôle des risques, des recommandations pour les responsables sécurité laser et pour les comités d'hygiène et sécurité des entreprises. Tous les produits laser vendus en Europe doivent répondre à cette norme et comporter le marquage CE. Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Sécurité Laser Les EMP représentent le niveau maximal de rayonnement laser auquel les personnes peuvent être exposées sans subir de dommage immédiat ou à long terme. Cette exposition maximale permise est établie à partir des valeurs limites de densité d'énergie ou de puissance surfacique à admettre au niveau de la cornée et de la peau. Ces valeurs ont été obtenues en extrapolant à l'homme, les résultats d'EMP obtenus sur des animaux. Ainsi, les niveaux d'EMP ont été calculés en fonction de la longueur d'onde du rayonnement, de la durée d'impulsion ou du temps d'exposition du tissu soumis au rayonnement (peau ou oeil) et de la dimension de l'image de l'objet sur la rétine. Dans le tableau, quelques niveaux EMP sont résumés. Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pour l’oeil Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Pour la peau Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les classes de laser Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
ESSENTIEL Lorsque l'on travaille sur un laser de classe supérieure à 1, il faut obligatoirement : Avoir la maitrise du faisceau laser, de la source au détecteur. C'est à dire : • Que tout objet réfléchissant et partiellement réfléchissant doit être solidement fixé • De connaître parfaitement son expérience et ainsi localiser parfaitement le trajet du faisceau laser lors de sa propagation. Cette connaissance permet en même temps de repérer les réflexions parasites et de les bloquer (En utilisant des bloqueurs absorbants et non réfléchissants). • De bloquer le faisceau, il faut au maximum éviter les réflexions diffuses en utilisant par exemple un morceau de carton pour bloquer le faisceau laser puissant. Que l'expérimentateur prennent ses précautions. C'est à dire : • Qu'il doit régler son expérience à faible puissance • Qu'il ne doit jamais mettre ses yeux dans l'axe de propagation des faisceaux laser • De toujours travailler nu de tout objet réflechissant tel qu'une montre, un bracelet, une alliance. . . • De toujours travailler dans une pièce minimalement éclairée pour ne jamais avoir sa pupille totalement ouverte. • Et bien sur de toujours porter ses lunettes de protection adaptées dès que le risque existe. Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les locaux Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Les locaux Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Séance 1 Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Exemple l Laser CW Argon (lambda = 514 nm) de puissance 1 W et de diamètre 1 mm l l Classe du laser ? EMP pour l’œil ? Pour la peau ? Est on en danger en regardant directement le faisceau ? Et pour un impact sur la peau ? On dispose de lunettes de densités optiques (DO) à 514 nm valant 3, 4 et 6. Lesquelles permettent de proteger les yeux ? l Séance 1 (definition : T = 10 -DO) Sébastien Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
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