Le laser

Nicolas Treps, Fabien Bretenaker

Description

Plus de cinquante ans après leur invention, les lasers continuent à nous étonner. Leurs performances sont toujours plus extraordinaires et le champ de leurs applications ne cesse de s’étendre. Ils sont omniprésents dans notre vie quotidienne pour les lecteurs de CD, de DVD et de codes-barres et comme ingrédients essentiels des autoroutes de l’information. Ils sont devenus 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. Cette seconde édition a été enrichie et mise à jour afin de couvrir certains aspects les plus récents de l’optique quantique, de la métrologie, et de la physique des atomes froids et des molécules froides.

La première édition de ce livre a obtenu le prix 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.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Physical attractiveness
• Sciences et techniques
• Physics
• Optics
• Lights
• Ondes
• Science

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 10 mars 2016
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759819843
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

LE LASER e 2 édition Fabien Bretenaker et Nicolas Treps Préface de Charles H. Townes

Collection « Une Introduction à » dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac

LE LASER : 50 ans de découvertes

e 2 édition

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

Dans la même collection Le monde quantique Michel Le Bellac, préface d’A. Aspect Naissance, évolution et mort des étoiles James Lequeux La fusion thermonucléaire contrôlée Jean-Louis Bobin Le nucléaire expliqué par des physiciens Bernard Bonin, préface d’É. Klein Mathématiques des marchés financiers Mathieu Le Bellac et Arnaud Viricel, préface de J.-Ph. Bouchaud Physique et biologie Jean-François Allemand et Pierre Desbiolles La cryptologie Philippe Guillot L’aventure du grand collisionneur LHC Daniel Denegri, Claude Guyot, Andreas Hoecker et Lydia Roos, préface de C. Rubbia Le climat : la Terre et les hommes Jean Poitou, Pascale Braconnot et Valérie Masson-Delmotte, préface de J. Jouzel Aux origines de la masse : particules élémentaires et symétrie fondamentales Jean Iliopoulos, préface de F. Englert Les relativités : espace, temps, gravitation Michel Le Bellac

Imprimé en France.

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©2015, 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. : [phone].

ISBN978-2-7598-1913-3

Avant-propos

L’année 2015 a été déclarée Année internationale de la lumière par l’UNESCO, pour célébrer toutes les révolutions qu’elle a introduites dans les domaines de l’énergie, des communications, de l’électronique, de l’espace et de la santé. La découverte du laser – cette forme exceptionnellement maîtrisée de la lumière – a bouleversé le quotidien de chacun et a apporté un outil aujourd’hui irremplaçable à toute la recherche scientifique. À cette occasion les auteurs deLe Laserpublié en 2010 chez EDP Sciences proposent une nouvelle édition de ce livre. Plusieurs chapitres ont été réécrits ou complétés pour tenir compte de l’évolution rapide de la recherche dans certains domaines, comme celui de l’optique quantique et des atomes froids, ou encore celui sur les sources de lumières ultra-brèves. En effet, plus de 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 trouver 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 No- bel de physique en 1964. Elle retrace d’une façon très vivante les étapes souvent mal connues et parfois cocasses de l’histoire de cette découverte qui continue de boule- verser 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 q u’elles vont offrir. Les lasers ultraviolets et dans le domaine X en sont à leur début. 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 DMLA, dégénérescence macu laire 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’ensemble de cet ouvrage a été coordonné par 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 recherches concernent la physique des lasers, l’interaction matière -rayonnement, l’optique non linéaire et le traitement optique des signaux radar. Nicolas Treps est professeur à l’université

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Avant-propos

Pierre et Marie Curie à Paris, chercheur au laboratoire Kastler Brossel et membre de l’institut universitaire de France ; ses travaux portent sur les mesures de grande sensibilité, l’optique non linéaire, les propriétés quantiques de la lumière et l’infor- mation 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 nombreuses figures et des schémas clairs mais très peu d’équations. Rédigé à l’occasion de l’anniversaire des cinquante ans du laser et mis à jour pour l’Année internationale de la lumière en 2015, cet ouvrage a pour objectif de faire partager à un large public la passion de ses auteurs, t ous chercheurs, pour l’aventure où les a entraînés la lumière de leur laser.

LE LASER : 50 ANS DE DÉCOUVERTES

Michèle Leduc, Fabien Bretenaker et Nicolas Treps

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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 optiques, 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 laboratoire Aimé-Cotton à Orsay. Il est également pr ofesseur 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’int eraction cohérente m atière-rayonnement, de l’optique quantique, avec des applications allant du domaine de l’informati on quantique à l’utilisation de l’optique dans les radars. Nicolas Treps est professeur à l’université Pierre et Marie Curie et membre de l’institut universitaire de France. Ancien élève de l’École Polytechnique, il a effectué sa thèse au laboratoire Kastler Brossel sur les prop riétés quantiques des images optiques, thèse soutenue en 2001. Il a ensui te 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, l’optique non linéaire et l’information quantique.

Les contributeurs

Les personnes suivantes ont contribué à la rédaction de cet ouvrage : Mehdi Alouini, Hans Bachor, Philippe Balcou, Claude Boccara, Christian Chardonnet, Pierre-François Cohadon, Olivier Dulieu, Nicolas Forget, Sébastien Forget, Saïda Guelatti-Khélifa, Manuel Joffre, Lucile Julien, Bruno Laburthe-Tolra, Michèle Leduc, Serge Mordon, Franck Pereira dos Santos, Isabelle Robert-Philip, Thierry Ruchon et Catherine Schwob. Nous les remercions chaleureusement pour leur travail et leur bonne humeur 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. Nous remercions également Michel Le Bellac pour ses conseils, sa relecture et son irremplaçable expérience en matière de rédac- tion 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 Sébastien Bize, 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.

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Les coordinateurs, les contributeurs et les remerciements

Avant-propos

Table des matières

Les coordinateurs, les contributeurs et les remerciements

Préface

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Qu’est-ce qu’un laser ?17 1.171. . . . . . . . . . . Un dispositif qui délivre un faisceau bien particulier . 1.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21L’amplification stimulée de rayonnement . 1.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26La cavité laser 1.434. . . . . . . Le laser : un principe unique, mais des réalisations variée.s

Des lasers de toutes les tailles37 2.137. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Introduction . 2.238. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le laser dans tous ses états 2.347. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Des lasers pour tous les goûts . 2.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Des lasers à tout faire . 2.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Conclusion .

L’information et la communication par laser67 3.176. . . . . . . . . . Application du laser aux télécommunications optiques 3.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Application du laser au stockage optique . 3.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Le gyrolaser 3.4Le LIDAR 82. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5Conclusion . 85. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Des sources de lumière ultra-brèves89 4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Introduction . 4.2Temps et fréquences 91. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3Dispersion d’une impulsion femtoseconde 93. . . . . . . . . . . . . . . . . .