Memoire Online - Lasers - production et applications

Le laser, depuis son invention, a toujours été un dispositif utile qui a rendu notre vie plus facile en raison de ses propriétés uniques. Dans ce chapitre, nous allons parler de certaines applications du laser dans la vie quotidienne et aussi de ses applications dans le domaine de la recherche scientifique.

On désire ici mesurer la distance entre deux points avec une grande précision. Depuis 1983, le mètre est défini par rapport à la vitesse de la lumière dans le vide, qui est fixée à exactement 299 792 458 m/s, la seconde étant elle-même définie comme 9 192 631 770 fois la période de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental du césium. L'utilisation de la lumière est donc particulièrement adaptée à la mesure d'une longueur, puisque c'est finale ment sa vitesse qui définit maintenant l'étalon de longueur.

La méthode de télémétrie la plus simple est d'émettre vers l'objet dont on veut mesurer la distance une impulsion de lumière, puis de mesurer le temps ?t qu'elle met pour revenir à son point de départ. Si l'impulsion se propage avec une vitesse de groupe v_g, la distance recherchée est d = v_g?t/2 . La directivité du laser joue ici un rôle crucial, puisque l'intensité

détectée au retour dépend de la divergence du faisceau. Si les cibles sont relativement proches ou suffisamment réfléchissantes, c'est la lumière rétrodiffusée qui est utilisée pour faire la mesure. Les télémètres employés dans les métiers du bâtiment et des travaux publics exploitent cette technique, tout comme les jumelles laser qui, grâce à plusieurs mesures successives, permettent d'obtenir la vitesse d'un véhicule.

La spectroscopie consiste à identifier l'ensemble des niveaux d'énergie d'une molécule, ce qui donne d'innombrables informations sur sa structure interne et permet de plus d'en constituer une « signature ». Celle-ci peut ensuite servir à détecter la molécule, y compris dans les endroits les plus extrêmes : fours, moteurs à explosion, atmosphère terrestre, espace intersidéral pour n'en citer que quelques-uns.

Le laser permet de réaliser des spectres sur des temps très courts, en utilisant des impulsions femtosecondes. La spectroscopie femtoseconde permet notamment de suivre à cette échelle de temps l'évolution des réactifs dans une réaction chimique, ce qui améliore considérablement nos connaissances du domaine. Ces techniques développées par Ahmed Zewail lui ont valu le prix Nobel de Chimie en 1999.

Les ondes gravitationnelles sont des oscillations de la courbure de l'espace-temps prédites par la théorie de la relativité générale. Elles n'ont jamais été observées, et c'est la raison pour laquelle des instruments destinés à détecter ces ondes ont été construits. Des détecteurs terrestres d'ondes gravitationnelles utilisant l'interférométrie laser sont mis en service pour des campagnes scientifiques. Actuellement, deux instruments comparables sont en service : LIGO aux États-Unis, et l'instrument franco-italien VIRGO (fig 4.2). Ils s'appuient tous les deux sur le même principe : comme la lumière suit les courbures de l'espace-temps, le passage d'une impulsion gravitationnelle peut être détecté par un interféromètre optique, car elle modifiera la longueur apparente des bras de l'interféromètre. Les deux bras étant perpendiculaires, ces modifications seront différentes dans les deux bras, et le passage d'un train d'ondes gravitationnelles se traduira donc par une oscillation périodique des franges d'interférence. Les impulsions gravitationnelles les plus puissantes sont générées par des évènements gravitationnels exceptionnellement violents, comme l'effondrement du coeur d'une supernova juste avant son explosion, ou la coalescence de deux trous noirs. Plus l'interféromètre est sensible, plus le nombre d'évè-nements détectables est important.

Les sensibilités obtenues permettront de suivre des événements cosmiques d'un grand intérêt scientifique. La détection des événements, l'analyse quantitative et la localisation dans le ciel fourniront des informations vitales qui ne peuvent être obtenues par la fenêtre du rayonnement électromagnétique.

Le laser utilisé est un laser à néodyme de 20 W, avec une stabilité relative en fréquence de

10^-21Hz sur une échelle de temps de 100 ms, et un bruit en fréquence de 2×10^-21Hz/ Hz. Une amélioration de ces performances est déjà prévue, afin d'augmenter le nombre d'évènements détectables.

L'objectif est ici de mesurer la vitesse d'un objet. On réalise une mesure interférométrique de la distance entre l'objet mobile et le laser fixe. On pourrait mesurer la vitesse de défilement des franges d'interférence et obtenir ainsi la vitesse de l'objet. On peut plus simplement mesurer directement la valeur du décalage de fréquence Doppler de l'onde retour.

Le principe est le même que celui exploité dans les radars qui jalonnent nos routes. Si une onde incidente de fréquence vi est rétro-réfléchie par un objet en mouvement, l'onde retour voit sa fréquence U_rmodifiée : c'est l'effet Doppler. Le décalage 8v dépend de la vitesse v? de l'objet : 8v = -vv/c , où v est la composante de vitesse parallèle à la direction de propagation de la lumière. En mélangeant les ondes aller et retour, on observe un battement à la fréquence 8v qui nous renseigne directement sur la vitesse de l'objet. La précision de la mesure de la vitesse est limitée par la largeur spectrale du laser. Pour un laser YAG, un calcul simple donne 1 mm/s de précision pour une largeur spectrale de 1 kHz.

La réaction de fusion nucléaire entre le deutérium ²D et le tritium ³T est :

où n est un neutron. L'énergie produite (17.6 MeV = 2.8×10¹²J) est dix fois supérieure à l'énergie nécessaire pour provoquer la réaction. Elle rend donc la fusion très compétitive en termes de production d'énergie. Outre le fait que le mélange D-T est quatre fois plus énergétique que la même masse d'uranium, les avantages cités sont l'absence de déchets nucléaires à longue durée de vie et la quantité quasi illimitée de matière première (le deutérium est extrait de l'eau de mer, et le tritium est produit dans la réaction nucléaire à partir du lithium, qui est un élément abondant sur Terre). Outre son intérêt en termes de production d'énergie, la fusion nucléaire contrôlée est très attendue par de nombreux scientifiques, comme les astrophysiciens, qui espèrent reproduire les conditions qui règnent au coeur des étoiles. La fusion contrôlée est également au coeur du programme de simulation destiné à remplacer les essais nucléaires.

En 2009, au Lawrence Livermore National Laboratory, aux États-Unis, le National Ignition Facility (NIF), le plus grand dispositif de fusion thermonucléaire jamais construit, a été lancé. Sa partie principale est un laser à faisceaux multiples dont l'énergie en impulsion nanoseconde dépasse 1MJ (10⁶J). Sa tâche consiste à comprimer le combustible DT à une densité plus de quelques milliers de fois supérieure à celle du DT à l'état solide et à le chauffer à 100 millions de K degrés. Dans ce cas, le processus de compression et de chauffage du combustible est réalisé de manière indirecte - le rayonnement laser (dans la gamme des UV) est converti dans ce qu'on appelle le hohlraum (cylindre de 1 cm contenant une pastille sphérique de DT) en un rayonnement X doux très intense illuminant symétriquement la pastille de DT. Pour la première fois, les paramètres énergétiques du dispositif de fusion sont suffisants pour permettre l'allumage et la combustion auto-entretenue d'un combustible thermonucléaire à une échelle permettant de générer une énergie bien supérieure à celle fournie au combustible (fig. 4.3).

L'objectif principal de la campagne expérimentale actuelle du NIF est de réaliser, dans les deux ou trois prochaines années, un "big bang" thermonucléaire contrôlé dans lequel l'énergie de fusion sera au moins dix fois supérieure à l'énergie fournie par le laser. Le "big bang" attendu serait le résultat de cinquante ans d'efforts internationaux visant à démontrer la faisabilité physique et technique de la production, de manière contrôlée, de l'énergie de fusion nucléaire dans un plasma confiné par inertie et ouvrirait la voie à la réalisation pratique du réacteur thermonucléaire piloté par laser.

L'objectif est ici de ralentir, c'est-à-dire refroidir, les atomes avec de la lumière. Le principe repose sur l'échange d'impulsion entre des photons et des atomes. Considérons le cas d'un atome se déplaçant à la vitesse ?v0 dans une onde laser de fréquence í résonante avec une de ses transitions et se propageant en sens inverse (fig. 4.4a). L'impulsion de l'atome est alors m?v0 et celle d'un photon h^?k, où m est la masse de l'atome et k ? le vecteur d'onde du champ laser. Lors de l'absorption d'un photon par l'atome (fig. 4.4b), la conservation de l'impulsion implique que la vitesse de l'atome excité après absorption soit :

^?vexc = ?v0 +		h m	k? = ?v0 + ?v_r(4.1)
vexc = v0 -		h m	k (4.2)
?v_r=	h^?k/m est appelée vitesse de recul. Après absorption, l'atome est dans un état excité et

sa vitesse a diminué. Au bout d'un temps dépendant de la durée de vie de ce niveau excité, l'atome se désexcite par émission spontanée ou stimulée. Dans le cas de l'émission stimulée, on retrouve l'état initial. Dans le cas de l'émission spontanée, le photon est émis dans une direction aléatoire (fig. 4.4c) et la vitesse finale ?v_ade l'atome est :

?v_a= ?v0 +

h m

^?k_s(4.3)

où ^?k_sest le vecteur d'onde du photon émis spontanément. ^?k_sa une direction aléatoire mais a toujours le même module : ^?k_s= ^?k . Si le processus est répété n fois, la vitesse finale de l'atome est :

?v_a= ?v0 + n	h m	k?	h X m i	^?ksi = ?v0 + n	h m	k? (4.4)
v_a= v0 - n	h m	k (4.5)

puisque _?ksia une direction aléatoire et est donc nul en moyenne. Le module de la vitesse finale est donc :

FIGURE 4.4 - Les trois étapes du ralentissement d'un atome par un photon. En (a), un atome absorbe un photon se propageant en sens inverse; en (b), l'atome excité est ralenti; en (c), le photon est réémis dans une direction aléatoire.

Ce processus peut-il être efficace pour ralentir des atomes? Pour répondre à cette question, prenons l'exemple de l'atome de césium. La vitesse des atomes de césium dans une vapeur diluée à température ambiante est typiquement de 300 m.s^-1. Pour la raie du césium située à 852 nm, la vitesse de recul est v_r= 3.5×10^-3m.s^-1, ce qui semble ridiculement faible pour ralentir un atome se déplaçant à 300 m.s^-1. Cependant, la durée de vie du niveau excité du césium est de 3×10^-7s, ce qui fait que le processus peut se répéter jusqu'à 3 millions de fois par seconde! L'atome peut donc être complètement arrêté en quelques dixièmes de seconde. Réduire la vitesse des atomes par cette méthode est donc parfaitement réalisable.

L'équation (4.5) n'aboutit pas à un ralentissement de l'atome : une fois le sens de la vitesse inversé (nhk/m > v0), l'atome est accéléré. Pour éviter cela, on plonge l'atome dans deux ondes contra-propageantes de fréquence inférieure à la fréquence de résonance atomique V_a. Par effet Doppler, l'atome voit toujours l'onde se propageant dans le sens opposé au sien avec une fréquence plus proche de V_aque l'onde se propageant dans le même sens que lui. L'onde de sens opposé (plus résonante) le freine donc toujours davantage que l'onde de même sens (moins résonante) ne l'accélère. Quel que soit son sens de propagation, l'atome ralentit donc : c'est le refroidissement Doppler.

Dans la pratique, de nombreux processus interdisent de réduire indéfiniment la vitesse des atomes. Par exemple, en utilisant la méthode décrite ci-dessus, on peut ralentir des atomes alcalins jusqu'à des vitesses de l'ordre de 10 cm.s^-1, ce qui correspond à une température de quelques centaines de uK.

En utilisant des méthodes plus sophistiquées, des températures de l'ordre du nK ont été atteintes. Une des applications les plus spectaculaires des atomes refroidis est l'obtention de la condensation de Bose-Einstein, un état de la matière où les atomes se retrouvent dans un même état quantique. Prédite par Bose et Einstein en 1924, elle fut observée pour la première fois en 1995.

Le pointeur laser l'utilisation la plus répandue du laser par le grand public est sans nul doute le pointeur laser. Mais ce dernier est aussi utilisé par les professionnels pour matérialiser une ligne droite : les applications sont nombreuses, depuis la matérialisation des lignes de niveau dans les métiers du bâtiment, jusqu'au guidage des tunneliers. Il y a longtemps que les lasers sont

utilisés dans les théodolites, ces instruments qui permettent aux géomètres et aux ingénieurs d'établir des relevés topographiques. Les scientifiques aussi utilisent dans leurs laboratoires des pointeurs laser pour aligner d'autres lasers. Les lasers utilisés dans les pointeurs sont assez simples. Il s'agit en général d'une diode laser (pointeur rouge) ou d'un laser à néodyme doublé (pointeur vert), d'une puissance de quelques mW, ce qui suffit à créer un faisceau parfaitement visible, même en plein jour. Les optiques de collimation doivent cependant être adaptées à l'usage, et notamment aux distances sur lesquelles le pointeur doit être utilisé.

Le code barre est un système d'identification d'objets; il est constitué d'une série de barres et d'espaces d'épaisseur variable. Le lecteur fournit une information électrique reproduisant la série de barres.

Le principe retenu est le suivant : un faisceau laser balaye le code barre et un détecteur collecte la lumière diffusée. Le signal temporel obtenu est une image du code barre. Compte tenu du cahier des charges décrit plus haut, le type de laser et l'optique utilisés jouent un rôle primordial dans la réalisation du lecteur. Les premiers lecteurs utilisaient des lasers He-Ne à 632 nm. Ils ont été progressivement remplacés par des diodes laser à 670 nm. Celles-ci émettent des faisceaux elliptiques dans le plan perpendiculaire à leur axe de propagation. Cette propriété est ici mise à profit pour limiter les risques d'erreurs de lecture du code barre.

Dans l'industrie, le laser est omniprésent : il façonne, découpe, soude, marque, grave, nettoie les matériaux les plus divers. Le laser est en général employé à puissance élevée, afin d'exploiter l'absorption du faisceau par le matériau. On amène ainsi localement le matériau à une température de quelques centaines ou quelques milliers de degrés, provoquant sa fusion, voire sa vaporisation. Grâce à la rapidité des changements de phase, la chaleur n'a pratiquement pas le temps de se propager, laissant les zones périphériques à l'usinage dans leur état d'origine : on peut ainsi obtenir des découpes ou des soudures plus propres qu'avec les autres procédés.

Soudage : Il s'agit en pratique ici de soudage de métaux, bien que cette méthode soit aussi appliquée sur des composés plastiques. Des tôles métalliques peuvent être soudées sur plusieurs millimètres d'épaisseur (par exemple 1 cm avec un laser CO2 de 5 kW) avec des vitesses de plusieurs mètres par minute (par exemple 6 m/mn pour une tôle d'acier de 1.5 mm d'épaisseur). La soudure est fine et propre, mais elle est aussi très précise, et l'on trouve donc aussi des applications de soudage de précision en micro-mécanique. Le rôle du laser est ici de chauffer le métal afin d'atteindre son point de fusion. Les intensités nécessaires sont de l'ordre de 10⁵à 10⁷W.cm^-2. On utilise des lasers continus, typiquement le laser CO2 et le YAG, et c'est la vitesse de déplacement du faisceau le long de la zone à souder qui fixe la durée de l'interaction et donc la profondeur de pénétration.

Découpe et perçage : Le laser permet de découper ou percer toutes sortes de matériaux, depuis les aciers les plus durs jusqu'au papier, en passant par le verre, les tissus,....La découpe est rapide, nette, sans trace de brûlure ou d'échauffement, et peut être facilement automatisée et pilotée par ordinateur. En montant le laser sur des systèmes à plusieurs axes, on peut ainsi façonner des pièces avec des géométries complexes.

La plupart du temps, on utilise le laser en médecine pour détruire ou altérer des tissus de façon très localisée et précise. En ce sens, la directivité, la focalisation et la puissance du laser jouent un rôle important. Mais toutes ces caractéristiques seraient inutiles si l'on n'était

pas capable de détruire les tissus de façon sélective, grâce aux propriétés spectrales des lasers. Les coefficients d'absorption des molécules constituantes de l'organisme varient en effet avec la longueur d'onde. En choisissant judicieusement cette dernière, on peut donc exciter avec un laser un matériau sensible à cette longueur d'onde, par exemple du sang, situé derrière un autre matériau qui y est insensible (ou moins sensible), par exemple la surface de la peau.

L'échange d'informations numériques fait maintenant partie de notre vie quotidienne, qu'il s'agisse de téléphoner, de regarder la télévision ou de naviguer sur Internet. Que ce soit à l'échelle de la planète, ou entre deux pièces d'un même bâtiment, le transport de ces informations est essentiellement optique.

Le dispositif de transmission par fibre optique est constitué d'un émetteur qui convertit le signal électrique en signal optique, d'une fibre optique qui propage le signal optique, de répéteurs éventuels qui l'amplifient, et finalement d'une photodiode qui reconvertit le signal optique en signal électrique.

L'émetteur est un laser à semi-conducteur à 1,3 um, et plus récemment à 1,55 um. À ces longueurs d'onde correspondent respectivement un minimum de dispersion et d'atténuation du signal dans les fibres. Le signal électrique numérique est transformé en signal lumineux en modulant directement l'intensité émise par le faisceau laser, le bit 0 correspondant à une absence d'émission. Les fréquences de modulation sont de l'ordre du GHz, et même davantage. Elles sont directement liées au débit d'informations transmis. C'est d'ailleurs un des avantages majeurs des fibres optiques par rapport aux traditionnels fils de cuivre que de pouvoir atteindre des débits très élevés. Pour fixer les idées, prenons l'exemple du téléphone. Les normes internationales fixent la bande passante des communications téléphoniques entre 300 Hz et 3400 Hz. En général, les opérateurs fixent la fréquence haute à 4 kHz, correspondant à un débit de 64 kbps (bps = bits par seconde) pour un signal numérique codé sur 8 bits. Sur une fibre optique de 1Gbps de débit, on peut donc faire passer simultanément plus de 15 000 conversations téléphoniques.

Depuis les années 2000, plusieurs fabricants d'armes développent de véritables « rayons de la mort ». Il s'agit de lasers extrêmement puissants destinés à la destruction en vol de roquettes, d'obus, voire de missiles. Ces armes sont destinées à être embarquées sur des bateaux, des avions ou des véhicules terrestres, et ne peuvent donc pas disposer de ressources électriques importantes. C'est la raison pour laquelle elles utilisent souvent des lasers chimiques. Parmi les réalisations connues, on peut citer le THEL (Tactical High Energy Laser) embarqué sur un navire. Il utilise un laser HF émettant 1 MW en continu à 2,8 um. En 2004, une démonstration a montré qu'il était capable de détruire en vol des obus de mortier lancés en rafale. Citons également le Boeing YAL-1, qui a démontré en février 2010 sa capacité à détruire des missiles balistiques en vol. Il utilise lui aussi un laser chimique, à l'iodure d'oxygène. En fin, le SSHCL (Solid State Heat Capacity Laser), un laser néodyme de « seulement » 67 kW, permet d'avoir une idée des capacités de destruction de ce type d'armes : cette arme est capable de percer un trou carré de 13 cm de coté dans une plaque d'acier de 2,5 cm d'épaisseur, en 2 secondes.

Dans ce chapitre, nous avons parlé de certaines applications du laser dans notre vie quotidienne, puis de ses applications dans la recherche scientifique, tout en détaillant le fonctionnement du refroidissement par laser et de la fusion nucléaire par laser.

Lasers - production et applications

Chapitre 4