Part IV : Les lasers à impulsions courtes (ns)

Les LASERS et leurs
applications - IV
Sébastien FORGET
Maître de conférences
Laboratoire de Physique des Lasers
Université Paris-Nord
Merci à Sébastien Chenais (LPL, Paris-Nord)
Et à Patrick Georges (Institut d’Optique, Paris XI)
pour leur contribution à ce cours.
Plan général du cours
z
I . Les principes de base du laser
z
II . Les différents types de lasers
z
III. Applications des lasers continus
Stockage d’informations, télécommunications, mesures, traitement des matériaux
z
IV. Les lasers à impulsions “courtes” (nanoseconde
et leurs applications
Exemple du Laser MegaJoule (CEA)
z
V . Les lasers à impulsions ultracourtes (ps, fs)
Les chaines laser femtoseconde (ex. laser “Petawatt”)
Copyright – Sébastien Forget/Laboratoire
Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Quatrième partie
z Lasers
à impulsions courtes
z Fonctionnement
: le Q-switch
z Principe
physique
z Réalisation pratique : déclenchement actif
et passif
z Applications
medicales
z Traitement des materiaux
z Fortes puissances : vers la fusion…
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Mode déclenché : Q-switch
Principe:
Augmentation artificielle des pertes durant le pompage :
L’inversion de population et donc le gain sont maximisés.
Le milieu amplificateur agit comme un réservoir d’énergie.
Lorsque le gain APPROCHE les pertes, on ramène la
cavité dans son état « normal » (pertes faibles).
L’oscillation s’établit rapidement et on a une impulsion
brève et intense.
Le processus est répété pour générer l’impulsion
suivante.
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Évolution d’un laser à mode déclenché
Pertes
Niveau haut
Niveau bas
Temps t
On s’arrange pour obtenir des pertes élevées dans la cavité.
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Évolution d’un laser à mode déclenché
Pertes
Gain
Niveau haut
Niveau bas
Temps t
On pompe le milieu amplificateur jusqu’à ce que le
gain approche les pertes.
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Évolution d’un laser à mode déclenché
Pertes
Gain
Niveau haut
Niveau bas
Temps t
On abaisse les pertes de façon quasi instantanée.
Q-switch
L’inversion de population est alors massive : le niveau
supérieur, en se « vidant » brusquement, provoque la
création d’une impulsion géante.
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Évolution d’un laser à mode déclenché
Impulsion laser
Pertes
Gain
Temps t
Le gain diminue brutalement et retourne rapidement à un
niveau inférieur aux pertes : c’est la fin de l’impulsion …
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Conditions nécessaires au Q-switch
(1) Le temps de vie du niveau supérieur doit être plus grand que
le temps de l’établissement de l’oscillation dans la cavité.
τ2>ts
(2) La durée du pompage doit être plus grande ou égale au
temps de vie du niveau supérieur.
Tp≥τ2
(3) Les pertes dans la cavité doivent être suffisamment grandes pour
ne pas avoir d’oscillations durant le pompage.
(4) Les pertes doivent redescendre à leur état « normal » de façon
quasi instantanée pour ne pas perdre d’énergie emmagasinée.
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le déclenchement Passif
Utilisation d’absorbants saturables :
Materiaux non-linéaires opaques sous faible
éclairement et transparents sous fort éclairement
I
T.I
T
1
I
Exemple : SESAM
(SEmiconductor Saturable
Absorber Mirror)
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le déclenchement Passif
T
Utilisation d’absorbants saturables :
Materiaux non-linéaires opaques sous faible
éclairement et transparents sous fort éclairement
I
Donc :
•Pas d’impulsion Î materiau opaque Î pertes élevées
•Début d’impulsion Îmateriau transparent Îpertes diminuent Î
impulsion plus forte Î pertes diminuent encore…
Le déclenchement se fait automatiquement, sans intervention
exterieure autre que le pompage :
• Simple, économique
• Problème de contrôle des impulsions (jitter)
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Le déclenchement actif
V
Cellule Pockels
Milieu amplificateur
Cellule de Pockels : cristal électro-optique qui joue le rôle d’une
« porte de polarisation ». C’est une porte commandée par une haute
tension. Porte fermée = pertes infinies ; porte ouverte = pertes faibles (normales)
On choisit ainis le moment de création de l’impulsion en basculant la tension V
Données typiques des lasers déclenchés (“Q-switched
lasers”) :
- Durée de l’impulsion : ~ 1 à 100 ns
Q-switch
- Cadence : de quelques Hz à 100 kHz
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Applications médicales des lasers
déclenchés
z
Ophtalmologie
z
z
LASIK : Chirurgie de la cornée (correction de la vue).
Utilisation d’un Laser Excimère impulsionnel (UV)
Q-switch
http://www.lasik.asso.fr/?q=node/320
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Applications médicales des lasers
déclenchés
Resurfaçage de la cornée assisté
par ordinateur (précision 0.25 µm)
Q-switch
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Applications médicales des lasers
déclenchés
z
Effacement des tatouages
z
z
Laser adapté au pigment que l’on veut retirer
Lasers Impulsionnels (Q-switched)
Chromophore
Bleu/Noir
Alexandrite
(755 nm)
Nd:YAG Nd:YAG
(1064 nm) (532 nm)
AVANT
APRES
Vert
Rouge
Orange
Q-switch
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Applications médicales des lasers
déclenchés
z
Epilation Laser (quasi-définitive)
Q-switch
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Traitement des matériaux
Q-switch
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Traitement des matériaux
Q-switch
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Traitement des matériaux
Objet obtenu par un phénomène
de cavitation (vaporisation très
locale du verre au foyer du laser)
Q-switch
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Forte Puissance
z
Les programmes NIF
/Mégajoule
(National Ignition Facility)
Objectifs :
•
Simulation des armes nucléaires
•
Etudes des processus de fusion par confinement inertiel
(deuterium/tritium) similaires à ceux qui se produisent
dans le Soleil
Chauffage à plusieurs millions de
degrés nécessaire pour que
deux noyaux positifs puissent
fusionner malgré leur répulsion
électrostatique
Q-switch
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Forte Puissance
z
Processus :
Approche indirecte
Energie nécessaire estimée ~2 MJ pendant 5 ns
Nécessite des lasers de puissances énormes !
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Forte Puissance
Laser megajoule (en construction à Bordeaux) / National Ignition Facility (en construction au
Lawrence Livermore National Laboratory en Californie)
z
Objectifs
z
z
z
z
Solution
z
z
Energie : 1.8 MJ
Durée effective : 3-5 ns
Longueur d’onde : Ultra-Violet
Uniformité : mieux que 1 % sur la cible
Laser solide (verre dopé Nd, 1053 nm,
pompé par lampes
Conversion de fréquence 3ω
240 (192) faisceaux de 40 x 40 cm² au
LMJ (NIF, resp.)
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Principe
Une des lignes du NIF :
http://www.llnl.gov/nif/project/animations/beamline_anim.mov
• Principe : le faisceau est amplifié par étapes successives
avec augmentation de sa taille (jusqu’à 40x40 cm) pour
éviter les problèmes de tenue au flux lumineux des lentilles
et des cristaux
Q-switch
• 192 lignes comme celle-ci focalisées sur ~1mm² (précision
50 µm) dans la même cible pour arriver aux 1,8 MJ (500 TW)
requis ! (240 pour le laser MegaJoule)
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Tout est démesure…
Cristaux nonlinéaires
Milieu amplificateur
(verre dopé néodyme)
Flashs pour le
pompage des
verres dopés
Chambre
d’expérience
Cellule de
Pockels
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Forte Puissance
z
Les amplis et le transport des faisceaux :
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord
Forte Puissance
z
La chambre d’expérience
Projet Megajoule
Q-switch
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Forget/Laboratoire de Physique des Lasers / Université Paris Nord