Bases physiques du fonctionnement d'un laser L.A.S.E.R. Emission ...

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Publié le : jeudi 21 juillet 2011
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Bases physiques du fonctionnement d’un laser
Miroirs
Pr J-Y Devaux BiophysiqueUniversité Paris 6
avril 2005
Emission laser
Cavité optique
Syst e de pompage optique
Faisceau laser
Olympus Lumière monodirectionnelle, monochromatique, cohérente.
La Lumière
La lumière est constituée de photons A la foisondeetcorpuscule Onde électro-magnétique « Grain » dénergie
L.A.S.E.R. LightAonticafilimp Amplification Lumineuse by Stimulated par une Emissio Emission de Rayonneme of Radiation Stimulée
n
nt
Transformation dune énergie dorigine quelconque en une énergie lumineuse
Plus de 40 ans d’histoire
Pressenti en 1917 par Einstein Inventé en 1960 par Maiman (laser rubis) Qualifié alors de «solution à la recherche d’un problème» 1966 : Prix Nobel pour A. Kastler (pompage optique)
Olympus
Omniprésent dans la vie scientifique mais aussi dans la vie courante Simple dans son principe mais exemple-type dapplication de la physique quantique
y
Onde électro-magnétique
a
λ
a
λ
à un instant donné
x
 = constante
Longueur dondeλ(en mètre) Amplitude a = variable selon x
1
λ
Le spectre électro-magnétique
La longueur donde définit la position dans le spectre et détermine certaines propriétés
1 m
750 nm
1 mm
Radar IR
1µm
spectre visible
600 nm
1 nm
UV RXγ
500 nm
420 nm
Représentation de la phase
S = acos(ωt +ϕ)
π
ϕest exprimée en radian
π/2
/2
ϕ
0 (2π)
Relations entre ces grandeurs
célérité : 3.108m.s-1 1 c ν= = TλCte de Planck : 6,6 10-34J.s
1 m
1 mm
Radar IR
1µ nmm 1
UV RXγ
ν10101011101210131014101510161017 E10-410-3 10 1 10 1000,01 0,13
Hz eV
y
a
La fréquence et la phase de l’onde
120° ϕ 180°
Τ
0° = 0°
T
en un point de lespace
t
PériodeT(en seconde)= constante Fréquenceν(en Hertz)= constante = 1 / T Phaseϕ=(en degré)variable selon linstant t
Onde et énergie
Une onde électro-magnétique saccompagne dune certaine quantité dénergie
Lunité internationale dénergie est le Joule (J) Pour les rayonnements, on utilise aussi lélectron-Volt (eV) 1 eV = 1,6 10-19Joules La puissance P est lénergie par unité de temps, lunité est le Watt (W) 1 W = 1 J.s-1
Le photon, grain d’énergie
Forme « individualisable » Energie pure - Absence de masse Propagation dans le vide(c = 3. 108 Vitesse de propagation dans la matière
m.s-1) v = c /
n
2
Le faisceau de lumière
Un faisceau est constitué dun grand nombre de photons Lénergie transportée ETpar le faisceau est la somme des énergies Ephde chaque photon ET=ΣEph Lafluence Iest la quantité dénergie par unité de surface :I = ET/ S Le débit de fluence :I=I / t
Faisceau divergent
La fluence diminue
I1
Anneaux de surface unitaire S
> I2
Directivité du faisceau Source classique : Divergent
Sphère: S 4 =πR2
Cercle: S =πr2
R profil sphérique Laser : Monodirectionnel etpresqueelparallè r
profil circulaire
Faisceau parallèle
Les fluences sont constantes
I1= I2
Anneaux de surface unitaire S
Faisceau convergent
I1
Anneaux de surface unitaire S
< I2
Comparaison de débit de fluence
Puissance reçue à2 mètres= 200 cm Une lampe de100 W =200 cm)(sphère r = 100 / 4π ×4.1040,2 mW cm-2 =
Un laser He-Ne de1 mW(cylindre r = 2 mm) = 10-3/π ×0,04 =8 mW cm-2
Protection visuelle nécessaire lors de l’utilisation de lasers
3
Monochromaticité
Rayonnement de même longueur donde Étymologiquement : de même couleur Semploie même en dehors du spectre visible
I
"une" couleur
λoλ Spectre théorique
I
S
Largeur spectrale
∆λ
λoλ pectre réel
Comparaison de spectres
Lampe à incandescence
Tube fluorescent tube néon
Différents types de laser
Lémission laser se caractérise par une faible largeur spectrale
Addition de signaux : phases et fréquences identiques yT1 a t
y a
y
2a
+T1
= T1
t
t
Largeur spectrale∆λ
1èrerelation dincertitude dHeisenberg : « Il nest pas possible de connaître lénergie exacte dune particule à un instant précis. » E .thavech= h / 2π ∆λ ≈2π. c .t
Remarque : Il sagit dune limite physique fondamentale, non dune insuffisance de qualité des instruments de mesure.
Relations de phase
Les lampes classiques émettent des rayonnements delongueur donde différentes et dont leseshpsasont toutes indépendantes les unes des autres
Les lasers émettent des rayonnements de longueur dondeidentique, tous enphaseet qui le demeurent sur toute leur trajectoire.
Addition de signaux : fréquences identiques, phases différentes y
y
y
∆ϕ
T1
+
=
T1
T1
t
t
t
4
y
y
y
Addition de signaux : fréquences différentes T1
T2
T3
+
=
T4T3
t
t
t
D’où vient cette puissance ?
D’où vient le spectre de raies ?
La solution est dans latome
Propriétés du laser
Monodirectionnel, de faible divergence et de phase identique Cohérence spatiale Monochromatique avec une largeur spectrale faible Cohérence temporelle Densité de puissance élevée
Mécanisme d’émission lumineuse
Pas vraiment
Lampe à incandescence
Spectre continu Isotropisme spatial
Tube fluorescent
Spectre continu + Spectre de raies
Quelques notions simples
Latome est constitué :  dun noyau, formé
de protons de neutrons
positifs) neutres)
- dune couronne (cortège) délectrons. porteurs de charge électrique négative
Non
5
Modèle atomique de Bohr
K
M L
n: nombrequantique principal : 1, 2, 3... organisation en plusieurs orbites : K, L, M
Modèle purement théorique
Absorption d’énergie
Apport dénergie (onde EM ou collision)
Etat EXCITE
K
M L
E
EM
EL
EK
Probabilités de survenue
Labsorption dun photon incident par un système atomique, a une certaine probabilité (fonction deµ) de se produire. Lémission spontanée dun photon survient dautant plus facilement que labsorption est aisée.
Cortège électronique
le rayon de chaque orbite est quantifié Les positions intermédiaires sont INTERDITES Niveaux dénergie des orbites :
En=
Z2me4 n22h2
Etat énergétique minimal : état le plus STABLE
Emission spontanée
Photon de Fluorescence E = E - E L K
Etat STABLE
K
Délai variable
M L
E
EM
EL
EK
Lesretoursà l’état de base
Fluorescence :  Émission dun photon, quantum dénergie  Délai généralement court (qq nanosecondes) Phosphorescence :  Emission dun photon  Délai retardé (qq secondes à plusieurs heures) Transition non radiative :  Pas de photon, mais énergie de vibration  Délai très bref (inférieur à la picoseconde) Emission stimulée :  Emission dun photon  Circonstance particulière de survenue(non spontanée)
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EL
Emission spontanée ou stimulée
hν1 EK
hν1EL- EK Le photon est absorbé
émission spontanée
émission
EL
EK
direction et phase quelconque
même direction même phase
Conditions de survenue
Lémission stimulée ne survient que si un photon dénergiestrictementégale à celle de la transition passe à proximité. Il faut que le nombre datomes en attente au niveau supérieur soitplus grandque celui du niveau inférieur. Il ne faut pas que les atomes retombent spontanémentau niveau inférieur avant que la stimulation nintervienne.
Ratio de population
 La proportion entre deux populations est : EE 2 1 EN2N1=ekT
E5 E4 E3 E2 E1
hν2
 La population à un niveau donné est toujours plus faible que celle des niveaux inférieurs.
 La population la plus nombreuse est celle du niveau énergétique le plus bas donc le plus stable.
N
Généralisation+++
Ce qui est vrai pour les électrons, est vrai aussi pour tout autre système organisé en niveaux dénergie. Puisque tout système atomique absorbe et restitue de lénergie, il évolue entre plusieurs états énergétiques et la notion datomese substitue à celle délectrons.
Statistique de Boltzmann
Léquation de Boltzmann permet de connaître le nombre datomes à un niveau dénergie donnée :Ei Ni= A .ekT A est une constante de proportionnalité k est la constante de Boltzmann = 1,38 . 1023J / °K T est la température (en degré Kelvin)
La population datomes :  Augmente en proportion de la température  Diminue avec lénergie Eidu niveau considéré
Exemple concret
Pour un écart entre N1 et N2 de 0,5 eV (environ le tiers de la largeur du spectre visible), à la température ambiante( 27 ° C = 300 ° K)
Niveau N1(le + bas)=109(un milliard) Niveau N2(le + haut)=4
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Inversion de population
Dans une population normale, un photon qui interagit disparaît parabsorption Dans une population « inversée », un photon dénergie adaptée provoque uneémission stimulée
E3
E2 population normale
E3
E2
population inversée
Les procédés d’inversion Tri par gradient de ch amp électrique (maser) Tri par gradient de champ magnétique (maser) Pompage par collisions Pompage par décharges électriques Pompage par photodissociation Pompage par réaction chimique Pompage optique Passage de courant dans une diode …
Comment cela fonctionne-t-il ?
Remarques
Lémission spontanée est indépendante des rapports de population. Lémission stimulée est donc en compétition avec lémission spontanée qui dépeuple le niveau le plus élevé. Quelques éléments possèdent des états « méta-stables » pour lesquels lémission spontanée est peu fréquente. Leffet laser(émission stimulée prédominante)se produira si on peut « stocker » des atomes dans un état méta-stable non accessible directement par absorption.
Energie
E3
E2
E1
Miroir
Modèle à 3 niveaux
transition non radiative (rapide) niveau métastablestockage émission spontanée (peu probable)
absorption
émission
imulée
Le pompage optique
Milieu actif
Source lumineuse intense
N(population)
Miroir semi-transparent
Les photons issus de la source lumineuse sont absorbés par le milieu actif et peuplent son niveau dénergie supérieur.
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La cavité optique
Idéalement la cavité optique doit avoir une longueur multiple de la longueur donde (principe des ondes stationnaires) Quelques photons sont émis spontanément et amorcent le processus.
L’amplification lumineuse
Chaque photon « stimule » lémission de nouveaux photons, tous en phase. En plusieurs allers-retours entre les deux miroirs, une sélection de direction sopère. Quand le signal est suffisamment intense, le miroir de sortie laisse passer le faisceau.
Energie
E3
E2
E4 E1
ab
Modèle à 4 niveaux
transition non radiative (rapide) tastable
stimulée
transition très rapide
L’amplification lumineuse
Chaque photon « stimule » lémission de nouveaux photons, tous en phase. En plusieurs allers-retours entre les deux miroirs, une sélection de direction sopère. Seuls les photons alignés selon laxe vont rester dans la cavité.
La durée d’impulsion Typiquement lémission de lumière cesse quand le niveau intermédiaire est dépeuplé. Selon les modèles, la durée de limpulsion peut varier de 10-3à 10-15s milli 10-3pico 10-12 micro 10-6femto 10-15 nano 10-9atto 10-18 Pour une même énergie délivrée, plus limpulsion est brève, plus la puissance est considérable : intérêt des lasers femtoseconde.
Lénergie totale reçue peut rester faible même pour des lasers de puissance : W(mJ) =P(GW) dt(ps).
L’effet laser
Laser à impulsion : à3inxevua Laser continu : à4xuaevin La divergence du faisceau et le coefficient damplification dépendent du nombre daller-retour dans la cavité optique avant louverture du miroir de sortie Plusieurs types géométriques de cavité optique sont proposés pour améliorer les performances.
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Les lasers à gaz Gaz atomique :  Laser Helium-Neon (He-Ne)λ=632 nm rouge  Laser à vapeur métallique (Cuivre, Or).  Laser Helium Cadmium (He-Cd)λ=440 nm violet et UV Gaz ionisé :  Laser Argon Ion (Ar+)λ= - vert500 nm bleu  Laser Krypton (Kr+)λ=650-570 nmrouge-jaune Gaz moléculaire :
 Laser Gaz Carbonique (CO2)λ= 10600 nm infrarouge  Laser Azote (N2).  Laser à excimères (Excited Dimer) Ar-F ou Kr-FUV
Les effets biologiques
Dépendent de :  la longueur dondeλ  la durée dexpositiont  lénergie délivréeE  la nature du tissu exposé  labsorption du rayonnement (eau et chromophores)
Les effets thermiques
Photonschaleur (agitation). Pourλplus grand (hνplus faible), le volume dinteraction est plus réduit Echauffement progressif :  45°C : hyperthermie tissulaire  50°C : dénaturation protéique  60°C : coagulation (hémostase) :Argon et YAG  80°C : dessiccation  100°C : volatilisation
Les autres lasers
Les lasers solides  Laser Rubis, rayonnement rougeλ=694 nm, pompage par flash de xénon  Laser YAG Néodyme et Verre Nd infrarougeλ= 1064 et 1320 nm, pompage par lampe  Laser Alexandrite
 Laser Rubis Titane Les lasers à colorants liquides Les lasers à électrons libres (plasma) Les diodes lasers et lasers à semiconducteurs
Les effets photochimiques
Pour très courtes longueurs donde : destruction de certains acides aminés, du cytochrome C Observable seulement pour de faibles puissances appliquées pendant un temps assez long.
Les effets mécaniques
Dautant plus nets que la puissance est forte (appliquée pendant uns temps très brefnsvoireps). Onde de choc de rupture par claquage optique et gaz ionisé. Rompt mais ne brûle pas (θ2 10-3°C). Utilisable dans les milieux transparents (membranes, brides du vitré ). Sobserve en particulier avec le laser YAG
10
λentre 400 et 900 nm : pas dabsorption dans les milieux transparents, en particulier ceux de lil, importante absorption par la mélanine et Hbchirurgie rétinienne si pas hémorragie du vitré ou opacités cristalliniennes Kératoplastie et chirurgie de la myopie Traitement des décollements de rétine On peut associer deux types de laser :  Laser He-Ne (rouge) qui sert pour la visée  Laser YAG-Nd (infrarouge) qui détruit les tissus
Ophtalmologie
103
10-9
10-6
10-3
Les chromophores
En fonction de son coefficient datténuation, une substance absorbe plus ou moins de photons lumineux. Le choix de la longueur donde du laser dépend donc de la substance à atteindre et de celles des autres composants à éviter. Dans lorganisme, les plus importants sont leau, la mélanine et lhémoglobine.
t (s)
10
103
104
Atténuation 105
Courbes d’atténuation
0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 2 4 6 8 10 20
10-1 10-2 d’après J. M. Brunetaud
10 1
102
Applications médicales
Dermatologie et cosmétique Odontologie
λµm
HbO2 eau mélanine
Atténuation105 104
103
Ophtalmologie Chirurgie  Gastro-entérologie et endoscopie  Neurochirurgie  Cardiologie
Courbes de l’hémoglobine Les courbes datténuation varient aussi selon le degré doxygénation de la molécule
1 10-1 10-2
10
102
Hb HbO2 H2O
d’après B.CUNIN
λ(nm)
450 550 650 750 850 950
Laser rubis 694 nm
11
I(Wm2) 1016
1013
Les effets sur les tissus Laser in Medical Science, 1986
Effet électromécanique
Effets biologiques
Effet photoablatif
1010
107
104
Effet thermique
Effet photochimique
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