Cette publication ne fait pas partie de la bibliothèque YouScribe
Elle est disponible uniquement à l'achat (la librairie de YouScribe)
Achetez pour : 13,99 € Lire un extrait

Téléchargement

Format(s) : PDF

sans DRM

Le Laser: 50 ans de découverte

De
180 pages
Le laser n'a pas fini de nous étonner et nous sommes encore loin d'avoir épuisé toutes les possibilités que cette invention, qui a maintenant cinquante ans, offre à nous. En plus de performances qu'on peut qualifier de toujours plus extraordinaires, le champ des applications du laser ne cesse de grandir. Indispensables à notre vie quotidienne avec les lecteurs CD, DVD, Blu-Ray ou codes-barres ; irremplaçables dans l'industrie et les hôpitaux, ils permettent aussi des avancées spectaculaires de la recherche fondamentale : optique quantique, horloges ultra précises, lasers à atomes, tests de la relativité générale.
Ce livre préfacé par Charles Townes, prix Nobel et inventeur du laser, a été écrit par les meilleurs spécialistes français du domaine. Après un bref rappel des principes, cet ouvrage offre un panorama des différents types de lasers, des plus petits aux plus puissants. Il effectue un vaste tour d'horizon de leurs applications et donne un aperçu des développements les plus récents.
Fabien Bretenaker est directeur de recherche CNRS au laboratoire Aimé Cotton à Orsay et professeur chargé de cours à l'Ecole Polytechnique. Ses recherches concernent la physique des lasers, l'interaction matière-rayonnement, l'optique non-linéaire et le traitement optique des signaux radar.
Nicolas Treps est maître de conférences à l'Université Pierre-et-Marie Curie à Paris, chercheur au laboratoire Kastler-Brossel.
Ce livre a obtenu le prix Arnulf-Françon 2011 de la Société Française d'Optique. Ce prix récompense la réalisation de supports pédagogiques destinés à l'enseignement de l'Optique dans l'enseignement supérieur.
Voir plus Voir moins
LE LASER Fabien Bretenaker Nicolas Treps PréfacedeCharlesH.Townes
Collection « Une Introduction à » dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac
LE LASER : 50 ans de découvertes
Ouvrage coordonné par
Nicolas TREPS et Fabien BRETENAKER Préface de Charles H. Townes
17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France
Imprimé en France.
©2010, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35.
ISBNEDP Sciences 978-2-7598-0517-4
Avantpropos
Cinquante ans après leur invention, les lasers continuent de nous étonner. Leurs performances sont toujours plus extraordinaires et le champ de leurs applications ne cesse de s’étendre. Chacun finit par oublier qu’ils sont là, présents dans notre vie quotidienne, tant ils sont devenus des objets familiers. Pourtant il a fallu des années d’efforts aux physiciens atomistes pour trou ver le principe du laser et obtenir un premier faisceau de lumière laser à partir d’un cristal de rubis. Depuis, des lasers de toutes les sortes et de toutes les tailles ont été mis au point. Sans avoir l’ambition de couvrir toutes leurs applications qui sont devenues aujourd’hui innombrables, dans les laboratoires comme dans l’industrie, ce livre à plusieurs voix donne un aperçu des divers aspects de l’activité qu’a engendrée le laser. La préface a été écrite par Charles Townes, l’un des inventeurs du laser, prix Nobel de physique en 1964. Elle retrace d’une façon très vivante les étapes souvent mal connues et parfois cocasses de l’hist oire de cette découverte qu i continue de bou-leverser le panorama de la science et de l’industrie depuis un demi-siècle. Rappelons que les succès des inventeurs américains du laser ont été préparés par les chercheurs français travaillant à l’École Normale Supérieure autour d’Alfred Kastler, qui avait établi les bases de physique atomique nécessaires à la compréhension de la théorie du laser. Après l’exposé indispensable du principe de fonctionnement du laser, chacun des chapitres détaille différents types d’instruments, des plus grands aux plus petits, ainsi que leurs applications. Longte mps considérés comme une solution à la recherche d’un problème, les lasers ont progressiveme nt pris une place prépondérante dans la recherche et l’industrie. Une leçon à méditer. . . Les lasers sont d’abord devenus des instruments irremplaçables à toute métrologie, que ce soit la télémétrie, la vibromé-trie et la gyrométrie pour le guidage des avions ; aujourd’hui d’ailleurs, ce sont les lidars qui sécurisent notre vie quotidienne , du transport aérien à la détection de la pollution. Ils sont également devenus très vite indispensables à la médecine, à la chi-mie, à la mécanique et à de très nombreux domaines. L’industrie de la machine-outil a été révolutionnée depuis le développement des lasers de puissance pour la soudure, la découpe, la brasure, le marquage. Au niveau du grand public, l’irruption des lasers
dans la vie pratique s’est affirmée avec l’apparition des lasers à semi-conducteur, de la taille d’une tête d’épingle. Les lecteurs de disques compacts permettent des sto-ckages d’information impensables il y a une trentaine d’années. Et surtout le réseau Internet utilise leur très grande rapidité pour véhiculer les térabits qui font notre nouvel univers quotidien.
Les lasers ont également permis des avancées spectaculaires de la recherche fondamentale : optique quantique, détection des ondes de gravitation, tests de la relativité générale et des théories cosmologiques. Les recherches sur lesatomes froids, qui ont valu le prix Nobel à Claude Cohen-Tannoudji en 1997, vont déboucher sur des applications spectaculaires en prép aration pour la navigation avec les nouveaux lasers à atomesqui en découlent. On est bien loin d’avoir épuisé les recherches sur la technologie des lasers et les possibilités qu’elles vont offrir. Les lasers ultraviolets et dans le domaine X restent dans l’enfance. À l’autre bout du spectre des fréquences, les lasers Térahertz continuent à se développer et devraient trouver de nombreuses applications en chimie et dans le domaine de la sécurité. Les sources d’énergie du futur utilisant la fusion thermonucléaire nécessiteront de nouvelles générations de lasers très puissants, impliquant de nouveaux matériaux et de nouveaux concepts d’architecture optique. Et demain, de nouvelles maladies vont pouvoir être traitées par laser, comme la dégénérescence maculaire de l’œil, qui affecte des dizaines de millions de personnes âgées. Bref, le laser a encore un brillant avenir devant lui.
Cet ouvrage a été écrit par des chercheurs français, tous fortement impliqués dans des travaux qui perfectionnent ou utilisent des lasers. La liste des auteurs est indiquée au début de chaque chapitre, ainsi que le laboratoire où ils exercent. L’en-semble de cet ouvrage a été coordonné par deux brillants jeunes chercheurs, Fabien Bretenaker et Nicolas Treps. Fabien Bretenaker est directeur de recherche CNRS au laboratoire Aimé Cotton, professeur chargé de cours à l’École Polytechnique ; ses re-cherches concernent la physique des lasers, l’interaction matière-rayonnement, l’op-tique non-linéaire et le traitement optique des signaux radar. Nicolas Treps est maître de conférences à l’université Pierre et Marie Curie à Paris, chercheur au Laboratoire Kastler Brossel ; ses travaux portent sur les mesures de grande sensibilité, l’optique non-linéaire, les propriétés quantiques de la lumière et l’information quantique.
Ce livre est destiné à tout public curieux de science et de technologie. Il s’adresse en particulier aux élèves des classes terminales et préparatoires des lycées, à leurs professeurs et aux étudiants scientifiques de tous niveaux. Il comporte une grande di-versité de thèmes, tous traités d’une façon aussi simple et pédagogique que possible, avec de nombreux figures et schémas mais très peu d’équations. Rédigé à l’occasion de l’anniversaire des cinquante ans du laser, ce livre a été commandité par la Société Française de Physique et la Société Française d’Optique, dans le cadre de leur récente association au sein de la Fédération Française de Sociétés Scientifiques, soucieuse de
4
Avant-propos
contribuer à la diffusion de la culture scientifique et de faire partager au public son attachement aux beautés de la recherche et de la technologie.
Michèle Leduc Vice-Présidente de la Société Française de Physique
Emmanuel Rosencher Président sortant de la Société Française d’Optique
Michèle Leduc est chercheuse au Laboratoire Kastler Brossel à l’ENS à Paris. Elle dirige l’Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids (IFRAF). Emmanuel Rosencher est directeur de la Branche Physique à l’ONERA et professeur à l’École Polytechnique.
LE LASER : 50 ANS DE DÉCOUVERTES
5
Les coordinateurs, les contributeurs et les remerciements
Cet ouvrage collectif a été écrit par une quinzaine de personnes dont les noms figurent en tête des chapitres et ci-dessous. La coordination a été assurée par Fabien Bretenaker et Nicolas Treps, avec la complicité de Michèle Leduc et de Michel Le Bellac.
Fabien Bretenaker
Nicolas Treps
Fabien Bretenaker est directeur de recherche au CNRS. Ancien élève de l’École Polytechnique, il a obtenu en 1992 le grade de docteur de l’université de Rennes I pour des travaux sur les lasers en anneau avec applications à la gyrométrie. Il a travaillé plusieurs années pour la société Sagem, notamment sur les gyromètres op-tiques, avant de rejoindre le CNRS en 1994, au sein du laboratoire de Physique des Atomes, Lasers, Molécules et Surfaces de Rennes. Depuis 2003 il travaille au labora-toire Aimé-Cotton à Orsay, dont il est aujo urd’hui directeur adjoint. Il est également professeur chargé de cours à l’École Polytechnique. Son activité de recherche couvre les domaines de la physique des lasers, de l’optique non-linéaire, de l’interaction co-hérente matière-rayonnement, de l’optique quantique, avec des applications allant du domaine de l’information quantique à l’utilisation de l’optique dans les radars.
Nicolas Treps est Maître de Conférences à l’université Pierre et Marie Curie. Ancien élève de l’École Polytechnique, il a effectué sa thèse au laboratoire Kastler Brossel sur les propriétés quantiques des images optiques, thèse soutenue en 2001. Il a ensuite effectué un séjour post-doctoral à l’université nationale d’Australie à Canberra pendant lequel il a travaillé sur les protocoles d’information quantique. Depuis 2002 il travaille au laboratoire Kastler Brossel et ses activités de recherche sont centrées sur les propriétés quantiques de la lumière, les mesures de grande sensibilité et l’optique non-linéaire. Il démarre actuellement un projet sur les limites quantiques au positionnement dans l’espace-temps avec des impulsions laser.
Les contributeurs
Les personnes suivantes ont contribué à la rédaction de cet ouvrage : Mehdi Alouini, Philippe Balcou, Claude Boccara, Christian Chardonnet, Pierre-François Cohadon, Nicolas Forget, Sébastien Forget, Saïda Guela tti-Khélifa, Manuel Joffre, Lucile Julien, Michèle Leduc, Serge Mordon, Isabelle Robert-Philip, Thierry Ruchon et Catherine Schwob. Nous les remercions chaleureusement pour leur travail et leur bonne hu-meur face à notre impatience.
Remerciements
Nous remercions tout particulièrement Michèle Leduc pour nous avoir fait confiance pour la coordination de cet ouvrage, pour son enthousiasme et son aide constante. Nous remercions chaleureusement Charles Townes pour nous avoir livré ses souve-nirs dans la préface de cet ouvrage et Emmanuel Rosencher pour avoir co-rédigé l’avant-propos. Nous remercions également Michel Le Bellac pour ses conseils, sa relecture et son irremplaçable expérience en matière de rédaction de livres. Les auteurs de cet ouvrage ont bénéficié de l’aide de nombreuses personnes et nous remercions en particulier Diane Morel pour la traduction de la préface. Nous remercions pour leurs conseils, explications et figures notamment Christian Bordé Benoit Appert-Collin, Alexios Beveratos, Jean-Pierre Cariou, Anthony Carré, Jean-Pierre Chièze, France Citrini, Jean Fontanieu, Guillaume Gorju, Sinan Haliyo, Antoine Heidmann, Vincent Josse, Pierre lemonde, John Lopez, Philippe Nicolaï, Daniel Rugar, Laurent Sauvage, Guy Schurtz, Sylvain Schwartz et Pierre Verlot.
8
Les coordinateurs, les contributeurs et les remerciements
Avantpropos
Table des matières
Les coordinateurs, les contributeurs et les remerciements
Préface
1
2
3
4
3
7
11
Qu’estce qu’un laser ?17 1.171. . . . . . . . . . . Un dispositif qui délivre un faisceau bien particulier . 1.2L’amplification stimulée de rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3La cavité laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4. . . . . . . Le laser : un principe unique, mais des réalisations variée.s 34
Des lasers de toutes les tailles37 2.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Introduction . 37 2.238Le laser dans tous ses états . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3Des lasers pour tous les goûts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.458. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Des lasers à tout faire . 2.564. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion .
L’information et la communication par laser67 3.176. . . . . . . . . . Application du laser aux télécommunications optiques 3.273Application du laser au stockage optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.378Le gyrolaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le LIDAR 82 3.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . 85
Des sources de lumière ultrabrèves89 4.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.291. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temps et fréquences 4.393. . . . . . . . . . . . . . . . . . Dispersion d’une impulsion femtoseconde
Un pour Un
Permettre à tous d'accéder à la lecture
Pour chaque accès à la bibliothèque, YouScribe donne un accès à une personne dans le besoin