50 Ans De Découvertes

n°21 octobre 2010

Société Française de Physique www.sfpnet.fr www.reﬂ etsdelaphysique.fr Revue de la

Le laser 50 ans de découvertes

N° 927 LeOctobre 2010 Bup Physique Chimie UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE 42, rue Saint-Jacques - 75005 PARIS www.udppc.asso.fr Éditorial

L’UdPPC et la SFP célèbrent ensemble le cinquantenaire de la découverte du laser

Le Laser a 50 ans. Suite à la première démonstration d’un effet laser par Theodore Maiman en mai 1960, et en dépit de prédictions hâtives (« le laser, une solution à la recherche de son problème »), les lasers ont connu un développement exponentiel : les sources se sont multipliées dans tous les domaines de longueur d’onde, de l’infrarouge lointain aux rayons X durs, établissant des records de monochromaticité, cohérence spatiale et pureté spectrale, de durée ultra-courte d’impulsions lumineuses, de puissance, d’énergie… Leurs applications ont été multiples en recherche fondamentale (physique, chimie, etc.), dans l’industrie, dans les télécommunications, en métrologie, en biologie et médecine… À cause de ces nombreuses applications, le laser est devenu un élément de notre vie quotidienne. En tant que source lumineuse quasi idéale, il a aussi révolutionné l’enseignement des sciences physiques et de l’optique. Pour célébrer les 50 ans du laser, présenter les récentes avancées et décrire son impact dans les sciences physiques et ses nombreuses applications dans les autres disciplines, la Société française de physique et l’Union des professeurs de physique et de chimie ont uni leurs forces pour publier un numéro spécial commun de leurs revues respectives, Reﬂ ets de la physique et Le Bulletin de l’Union des Professeurs de physique et de chimie. La lecture de son sommaire montre la diversité des thèmes abordés.

Il faut souligner que la présente publication s’inscrit dans un ensemble d’initiatives communes prises par nos deux sociétés depuis de nombreuses années. En juin 2005, à l’occasion de l’Année mondiale de la physique, la SFP et l’UdPPC avaient publié en commun un numéro hors série du Bup et du Bulletin de la Société française de physique, ancêtre des Refl ets de la physique. Ce numéro mettait en relief quelques-uns des champs d’activité des physiciens d’aujourd’hui et leurs liens avec les disciplines les plus diverses. Édouard Brézin, alors vice-président de la SFP, soulignait dans la préface que cette publication témoignait de « la vitalité de la physique contemporaine, la diversité de ses objets d’étude, la richesse de ses contacts avec d’autres disciplines ». Madeleine Sonneville, présidente de l’UdPPC, soulignait de son côté, « l’importance de tels documents pour la culture scientifi que des professeurs ». Si cette publication commune était une « première » dans le domaine éditorial, elle ne représentait pas la première action commune des deux associations. Les lecteurs assidus de nos bulletins se rappellent sûrement qu’en 1986 avait pris naissance une commission mixte UdPPC-SFP sur l’enseignement. Elle a poursuivi ses travaux pendant de longues années, mais fut surtout le lieu d’élaboration du projet des Olympiades de Physique France. Celui-ci vit le jour en septembre 1991, lors du congrès général de la SFP à Caen. Les deux sociétés, cofondatrices des Olympiades, en sont aussi les coorganisatrices, et les deux revues se font chaque année l’écho du concours. Au-delà de cet exemple, notre volonté de collaboration est constamment réaffi rmée et elle trouve en particulier à s’illustrer par des échanges réguliers entre les associations, par des articles publiés en commun et aussi (trop souvent, malheureusement…) chaque fois que sont malmenées les conditions faites à l’enseignement des sciences au lycée.

Nos remerciements s’adressent à tous les auteurs qui ont accepté de contribuer, et aux équipes de rédaction qui se sont coordonnées pour mener à bien ce projet ambitieux, aﬁ n d’aboutir à ce beau numéro que nous sommes heureux de vous présenter et qui devrait faire référence.

Micheline Izbicki Martial Ducloy Présidente de l’UdPPC Président de la SFP

2 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Sommaire

2 Éditorial Micheline Izbicki et Martial Ducloy 4 Le laser : 50 ans de dialogue entre science et applications Fabien Bretenaker 6 Glossaire et bibliographie

Histoire et principe des lasers 10 Souvenirs de la genèse du laser Charles H. Townes 12 Le laser : principe de fonctionnement p. 9 Catherine Schwob et Lucile Julien 18 Les différents lasers : un tour d’horizon Sébastien Forget, Isabelle Robert-Philip et Philippe Balcou  Le laser, 50 ans de découvertes

Les lasers de l’extrême 26 Les nanolasers, vers une nouvelle physique des lasers ? Izo Abram, Alexios Beveratos et Isabelle Robert-Philip 30 Sources cohérentes de laboratoire dans l’extrême ultraviolet Thierry Ruchon, Pascal Salières, Philippe Zeitoun et Stéphane Sebban 35 La fusion thermonucléaire par laser Michel Decroisette p. 25 Mesures de grande précision 42 Des lasers à impulsions femtosecondes pour mesurer les fréquences Anne Amy-Klein 46 Atomes froids : réseaux optiques et horloges Michèle Leduc et Pierre Lemonde 53 Le laser : un outil de choix pour l’interférométrie atomique Arnaud Landragin et Franck Pereira Dos Santos

Quelques exemples d’application des lasers 60 La cohérence de la lumière et l’imagerie des tissus du corps humain A. Claude Boccara p. 41 65 Applications médicales du laser Serge Mordon 70 Des lasers pour les télécommunications optiques par fi bres Mehdi Alouini 76 Les lidars atmosphériques Jean-Pierre Cariou et Laurent Sauvage 83 Deux exemples d’applications industrielles des lasers Philippe Aubourg, François Fariaut, Patrick Mauchien et François Salin 89 Faire de la physique autour des fontaines lasers Sébastien Forget, Christophe Daussy et Paul-Éric Pottie

p. 59

REFLETS DE LA PHYSIQUE LE BUP PHYSIQUE-CHIMIE POUR CE NUMÉRO Directeur de la publication : Mohamed DAOUD Directeur de la publication : Micheline IZBICKI Responsable scientifique : Fabien BRETENAKER Rédacteur en chef : Charles de NOVION Rédacteur en chef : Gérard DUPUIS Secrétaire de rédaction : Catherine FRANÇOIS Comité de rédaction : P. BASSEREAU - M. BELAKHOVSKY - Comité de rédaction : G. BOUYRIE - L. DETTWILLER - Graphiste : [email protected] F. CASOLI - A. DAVAILLE - É. GUYON - P. HENNEQUIN - J.-P. HULIN - D. LAUNER - B. VELAY - J. WINTHER Imprimé en France par SPEI – 54425 Pulnoy Laser accordable : S. LABROSSE - G. LANDA - R. LEHOUCQ - J. MARGUERON - V. MOSSER - Service publicité : [email protected] Dépôt légal : 4e trimestre 2010 S. REMY - C. SÉBENNE - J. TEIXEIRA - J. VANNIMENUS - C. YÈCHE Serveur : www.udppc.asso.fr Édité à 7500 exemplaires superposition Service publicité : [email protected] Numéro commission paritaire : 0110G85858 © SFP / UdPPC de poses sur Serveur : www.refletsdelaphysique.fr ISSN : 1770-1368. Prix du numéro : 10 €. ISSN : 1953-793X – e-ISSN : 2102-1777 Publication mensuelle - 104e année la même image 5 numéros par an Annonceurs : (LCFIO, Orsay). Dunod (p. 17), Yenista (p. 52), Laser Quantum Société Française de Physique Union des professeurs de physique et de chimie (p. 52), Quantel (p. 52), TEEM Photonics (p. 64), © CNRS Photothèque / 33, rue Croulebarbe, 75013 Paris 42, rue Saint-Jacques, 75005 Paris Alphanov (p. 88), CNRS/LCMI (p. 88), Kircheim EQUILBEY Serge. www.sfpnet.fr www.udppc.asso.fr optique (p. 88).

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 3 Le laser : 50 ans de dialogue entre science et applications

Un des objectifs de nos deux revues, Refl ets de la physique et Le Bup physique-chimie, est de présenter à leurs lecteurs les avancées récentes de la recherche en sciences de la matière. En cette année 2010, anniversaire des 50 ans de la découverte du laser, l’UdPPC et la SFP ont pris la décision de réaliser en commun ce numéro spécial sur le laser. Fabien Bretenaker, directeur de recherche au CNRS et professeur chargé de cours à l’École polytechnique, a accepté Il y a cinquante ans, Ted Maiman mettait au point le premier d’en prendre la direction scientifi que. Il nous présente « MASER optique », qui sera ensuite rebaptisé « LASER ». Après ici l’organisation de ce numéro commun, qui comprend la découverte du maser dans le domaine micro-ondes par Townes quinze articles scientifi ques, répartis en quatre parties. en 1954, plusieurs équipes de physiciens s’étaient lancées dans la Après un rappel des notions de base sur le laser, on y traite quête de ce Graal. Charles Townes lui-même a accepté de nous de certaines des avancées les plus récentes, aussi bien en livrer ses souvenirs de cette épopée. Cela constitue le premier recherche fondamentale que dans les applications. article de ce numéro spécial, commun aux Refl ets de la physique et Nous le remercions pour avoir mené à bien ce projet. au Bulletin de l’Union des Professeurs de physique et de chimie. Un grand merci également à Jean-Pierre Hulin, à qui l’on doit une analyse approfondie des articles, et à Catherine François Initialement simple objet de curiosité pour les physiciens, le laser et Laetitia Morin, qui se sont chargées avec enthousiasme et est, cinquante ans plus tard, tellement présent dans notre quotidien compétence de son édition et de sa mise en forme. que nous ne le remarquons quasiment plus. Au même titre que le transistor, il peut être considéré comme une des réussites majeures Gérard Dupuis Charles de Novion de la physique du XX e siècle, dont se sont emparés tous les domaines Rédacteur en chef du Bup physique-chimie Rédacteur en chef de Refl ets de la physique de la recherche et de l’innovation. Faire un tour d’horizon un tant soit peu exhaustif de ce domaine est devenu impossible. Aussi avons-nous choisi ici de nous limiter, en faisant appel à la plume de plusieurs des meilleurs spécialistes, à quelques exemples regroupés en quatre parties. La première partie débute avec l’article de Charles Townes, suivi d’un rappel simple mais précis des principes de base des lasers, proposé par Catherine Schwob et Lucile Julien. Cette partie se conclut par un Fabien Bretenaker tour d’horizon illustré des principaux types de lasers ; au cours de Rédacteur en chef invité du numéro spécial « Laser » cette visite, le lecteur est guidé par Sébastien Forget, Isabelle Fabien Bretenaker est né à Metz en 1966. Ses travaux de Robert-Philip et Philippe Balcou. thèse, effectués à l’université de Rennes 1 en collaboration La seconde partie, intitulée « les lasers de l’extrême », regroupe avec la Sagem, concernaient la physique des lasers en quelques-uns des champs de recherche où les caractéristiques des anneau, avec des applications à la gyrométrie optique. lasers sont poussées à l’extrême, que ce soit en termes de taille du Après avoir soutenu sa thèse, il a travaillé au centre de système (propriétés quantiques surprenantes des lasers de taille recherche de la Sagem à Argenteuil, avant de rentrer au nanométrique, décrites par Izo Abram, Alexios Beveratos et CNRS en 1994. Chercheur au sein de l’UMR « PALMS » Isabelle Robert-Philip), de longueur d’onde (lasers EUV et X à Rennes jusqu’en 2003, il a ensuite rejoint le laboratoire décrits par Thierry Ruchon, Pascal Salières, Philippe Zeitoun et Aimé-Cotton à Orsay. Actuellement directeur de recherche Stéphane Sebban), ou d’énergie par impulsion (article de Michel au CNRS, Fabien Bretenaker est directeur adjoint du Decroisette sur la fusion par confi nement inertiel). laboratoire Aimé-Cotton. Il est également professeur Une autre façon d’utiliser les performances exceptionnelles des chargé de cours à l’École Polytechnique, où il enseigne la lasers concerne leurs applications en métrologie et pour des mesures mécanique quantique et la physique des lasers. extrêmement précises, illustrées dans la troisième partie de ce Les travaux de recherche de Fabien Bretenaker concernent numéro spécial. La révolution récente des peignes de fréquence, la physique des lasers, l’optique non linéaire, l’interaction matière-rayonnement et l’optique quantique. Il s’intéresse décrite par Anne Amy-Klein, est un superbe exemple d’utilisation aussi aux applications de ces domaines au développement des lasers femtosecondes à la mesure des fréquences et à la spec- de nouveaux senseurs, au traitement optique des signaux troscopie. L’outil laser, très stable, est tout aussi indispensable au radars et à l’information quantique. développement fascinant de la physique des atomes froids, que Michèle Leduc et Pierre Lemonde évoquent ici en mentionnant

4 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Introduction  Le laser, 50 ans de découvertes

les ponts récents jetés vers la physique de la matière condensée et les spectacles, etc.). Les lasers jouent également un rôle majeur et la métrologie du Temps. La pureté spectrale, la qualité de dans les recherches en physique avec l’optique non linéaire, le chaos, faisceau et la puissance des lasers sont également mises à profi t dans la physique des plasmas ou l’accélération des particules. Il en va de la manipulation des atomes pour réaliser les interféromètres même pour de nombreux domaines d’ingénierie, comme les atomiques décrits par Arnaud Landragin et Franck Pereira Dos capteurs de toutes sortes ou le dépôt et la caractérisation de couches Santos. Dans ces interféromètres à ondes de matière, envisagés minces. Notons que d’autres secteurs font aujourd’hui largement par exemple comme senseurs inertiels, les atomes jouent le rôle appel aux lasers : la chimie en est un bon exemple avec, entre autres, des photons dans les interféromètres optiques habituels, mais leur le suivi et le contrôle par laser des réactions chimiques et les techniques longueur d’onde de de Broglie très courte permet d’envisager optiques d’analyse. Mais c’est également vrai pour la biologie, une amélioration considérable de la sensibilité de ces appareils. l’archéologie, ou l’analyse et la restauration des œuvres d’art. La quatrième et dernière partie regroupe quelques exemples de la myriade d’applications pratiques des lasers. Ceux-ci ont Que nous réserve l’avenir du laser ? Il est diffi cile évidemment apporté une véritable révolution en médecine. La première de le prévoir, mais une chose est sûre : il sera foisonnant. D’une illustration en est donnée avec la mise à profi t de leur cohérence part, il est en effet frappant que, cinquante ans après l’invention optique pour l’imagerie du corps humain (Claude Boccara). du laser, la recherche sur la physique de l’objet laser lui-même soit Les utilisations thérapeutiques des lasers se développent et se encore un domaine en pleine effervescence (nouveaux matériaux répandent à un rythme impressionnant. L’exemple peut-être le plus pour l’amplifi cation, course aux rendements, impulsions de plus ancien et le plus connu est l’utilisation du laser en ophtalmologie. en plus brèves, extensions aux térahertz et au-delà, etc.). Chaque L’article de Serge Mordon nous propose quelques exemples plus nouveau développement technologique, chaque nouvelle utilisa- récents de ces utilisations thérapeutiques. Mehdi Alouini explique tion, obligent le physicien à approfondir sa compréhension du ensuite pourquoi une des applications les plus importantes du système (voir, par exemple, l’article sur les nanolasers). D’autre laser, les télécommunications optiques, n’a pu se développer que part, du côté des applications, chaque domaine qui s’empare de grâce à un composant essentiel : le laser à semi-conducteurs. Le cet outil en fait un usage que les physiciens n’avaient pas imaginé. domaine de l’environnement bénéfi cie également des lasers, Enfi n, et c’est là certainement un des aspects les plus inattendus comme nous le montrent Jean-Pierre Cariou et Laurent de la recherche, les concepts liés au laser trouvent des analogies et Sauvage avec les lidars atmosphériques. Rappelons aussi que, stimulent de nouvelles idées dans d’autres domaines. Il suffi t de depuis plusieurs décennies, l’industrie et les « process » sont mentionner les exemples décrits ici de l’interférométrie atomique d’immenses champs d’application des lasers. Philippe Aubourg, et des lasers à atomes, pour lesquels les ondes de matière atomique François Fariaut, Patrick Mauchien et François Salin ont choisi de remplacent les ondes électromagnétiques de l’optique « photonique ». l’illustrer par deux exemples, issus de la fabrication des cellules Ou encore de voir se multiplier les ponts entre la physique des photovoltaïques et de l’analyse de la composition chimique des atomes froids (condensats de Bose-Einstein, gaz de fermions matériaux. Enfi n, objet de recherches et de développement, le dégénérés, atomes en réseaux) et la physique de la matière laser peut aussi devenir un outil pédagogique pour l’enseignant condensée (localisation d’Anderson, superfl uidité, transitions de et une source d’inspiration pour l’artiste, comme l’illustrent les phase…). Alors demain ? Au lecteur de s’approprier le laser et fontaines laser décrites par Sébastien Forget, Christophe Daussy d’en tirer profi t dans les domaines qui lui sont chers. et Paul-Éric Pottie. Fabien Bretenaker ([email protected]) Des secteurs entiers d’application des lasers ne sont pas couverts Laboratoire Aimé-Cotton, CNRS-Université Paris Sud 11, 91405 Orsay Cedex par les articles qui suivent. Nous avons laissé de côté les applications militaires. Nous regrettons de n’avoir pas pu aborder le fascinant domaine du stockage optique de données, ainsi que celui de Je tiens à remercier Michèle Leduc, Charles de Novion, Jean-Pierre Hulin l’information et de la communication quantiques. Il en est de et Gérard Dupuis pour m’avoir proposé de participer à ce numéro spécial même pour les utilisations des lasers dans la vie quotidienne (CDs et pour leur dévouement, plein d’énergie et de bonne humeur, pour le voir et DVDs, imprimantes lasers, jeux de lumière dans les boîtes de nuit aboutir en temps et en heure malgré mes retards…

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 5 Glossaire

Accordabilité Gain Capacité d’un laser à changer de longueur d’onde Facteur d’amplification optique d’un milieu amplifi- d’émission. cateur. Attoseconde Génération d’harmonique(s) 1 as = 10 – 18 s. Phénomène d’optique non linéaire, dans lequel un faisceau de fréquence ν interagissant avec un milieu Cavité optique non linéaire donne naissance à un ou des faisceaux Dispositif permettant de stocker la lumière. Le type de fréquences nν avec n entier. de cavité le plus simple est constitué de miroirs obligeant la lumière à faire des tours ou des allers- Guide optique retours, comme par exemple dans un interféromètre Structure dans laquelle on augmente localement de Fabry-Perot. l’indice de réfraction, pour guider par réflexion totale la lumière dans une direction choisie. Cohérence La cohérence temporelle, liée à la pureté spectrale Hétérostructure de la source, caractérise le temps au bout duquel la Jonction de deux semi-conducteurs présentant des phase de l’onde est brouillée. La cohérence spatiale gaps différents. caractérise l’étendue spatiale sur laquelle la phase de l’onde est préservée. Elle est liée à la possibilité Intervalle spectral libre de focaliser le faisceau sur une toute petite surface. Écart en fréquence entre deux modes longitudinaux d’une cavité optique. Déclenchement Méthode permettant de faire fonctionner le laser Inversion de population en régime impulsionnel, en diminuant rapidement Propriété d’un milieu dans lequel un niveau du haut les pertes du laser. Les impulsions obtenues ont des d’une transition est plus peuplé que le niveau du bas. durées de l’ordre de la nanoseconde. Laser Diode laser Acronyme équivalent de « Amplification de lumière Laser à semi-conducteur construit autour d’une par émission stimulée de rayonnement ». structure de diode, permettant d’obtenir l’inversion de population grâce à l’injection d’un courant électrique. Maser Acronyme équivalent de « Amplification de micro- Dispersion ondes par émission stimulée de rayonnement ». Variation de l’indice de réfraction d’un milieu avec la longueur d’onde. Elle induit aussi un autre phéno- Milieu amplificateur mène, appelé « dispersion de la vitesse de groupe », Milieu dans lequel on a réalisé par pompage une qui correspond à la variation de la vitesse de groupe inversion de population, permettant d’obtenir un avec la longueur d’onde, responsable de l’étalement gain par émission stimulée. des impulsions courtes. Mode Émission spontanée Excitation fondamentale d’une cavité optique, Émission de lumière due à la désexcitation spontanée caractérisée par une fréquence, une polarisation et d’un atome sans l’aide d’un rayonnement incident. une distribution spatiale données du champ élec- tromagnétique dans la cavité. Émission stimulée (ou induite) Mécanisme d’amplification de la lumière basé sur Optique non linéaire un milieu en inversion de population. Domaine de l’optique dans lequel on crée de nouvelles longueurs d’onde par interaction de la lumière avec Fabry-Perot un milieu non linéaire. Ce domaine est fortement Interféromètre optique à ondes multiples, constitué lié à l’augmentation de l’intensité permise par le de deux miroirs se faisant face. développement des lasers. Femtoseconde Pertes 1 fs = 10 – 15 s. Proportion de la puissance lumineuse perdue pour un tour dans la cavité. Fibre optique Guide optique cylindrique, habituellement fabriqué Plasmon de surface en verre de silice. Onde électromagnétique se propageant en restant confinée à l’interface entre un métal et un diélectrique. L’onde est évanescente des deux côtés de l’interface.

6 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Glossaire Bibliographie

Il existe de nombreux livres traitant des lasers. En voilà une sélection, qui contient des livres en français et en anglais.

Pompage Livres de popularisation Mécanisme permettant de réaliser l’inversion de • F. Hartmann, Les Lasers, Presses Universitaires de France, population. Collection « Que sais-je ? » (1974). Puits quantique • F. Gil, D’où vient la lumière laser ?, dans la collection Structure réalisée à base de couches de semi-con- « Les petites pommes du savoir », n° 77, éditions Le Pommier (2006). ducteurs de gaps différents, dans laquelle on réalise • Le laser, coordonné par F. Bretenaker et N. Treps, EDP Sciences, un puits de potentiel carré pour les porteurs dans Collection Une introduction à… (2010). une des trois directions de l’espace. • On lira aussi avec intérêt le numéro spécial sur « La lumière quantique »,  Le laser, 50 ans de découvertes Térahertz Les dossiers de La Recherche, n° 38 (février 2010). Domaine de fréquence de 100 GHz à 10 THz, correspondant à des longueurs d’onde de 30 µm à 3 mm. Livres d’enseignement au niveau universitaire Seuil (niveau L3 à M2) Situation dans laquelle le gain par tour dans la cavité est égal aux pertes. Pour un gain plus petit, le • G. Gryndberg, A. Aspect et C. Fabre, Introduction aux Lasers et à l’Optique Quantique, Ellipses (1997). laser est sous le seuil et ne démarre pas. Pour un gain plus grand, le laser est au-dessus du seuil et • R. Farcy, Applications des Lasers : Principes Optiques avec Problèmes Commentés, peut démarrer. Dunod (1997). • L. Dettwiller, Les lasers et leurs applications, Ellipses (1998). Spectre Répartition de la puissance du laser en fonction de • E. Rosencher et B. Vinter, Optoélectronique, Masson (1998). la longueur d’onde ou de la fréquence. • B. Cagnac et J.-P. Faroux, Lasers, Interaction Lumière-Atomes, EDP Sciences, Collection Savoirs Actuels (2002). Structure hyperfine • D. Dangoisse, D. Hennequin et V. Zehnlé, Les Lasers, 2e édition, Dunod (2004). Séparation d’un niveau d’énergie atomique en états d’énergies très proches, due au couplage entre le • C. Delsart, Lasers et Optique Non-linéaire, Ellipses (2008). moment cinétique total des électrons avec le spin • C. Grynberg, A. Aspect et C. Fabre, An Introduction to Quantum Optics: du noyau de l’atome. From the Semi-classical Approach to Quantized Light, Cambridge (2010). Systèmes à trois et quatre niveaux Dans un « système à trois niveaux », le niveau du bas de la transition laser est le niveau fondamental Livres plus spécialisés (niveau M2 ou plus) de l’atome. Pour obtenir l’inversion de population, il faut donc pomper de façon intense pour vider ce • M. Sargent III, M.O. Scully et W.E. Lamb, Jr., Laser Physics, Addison-Wesley (1974). niveau et peupler le niveau du haut de la transition. En revanche, dans un « système à quatre niveaux », • A.E. Siegman, Lasers, University Science Books (1986). le niveau du bas de la transition laser n’est pas le • A. Yariv, Quantum Electronics, 3e édition, Wiley (1989). niveau fondamental de l’atome et est initialement • K. Petermann, Laser Diode Modulation and Noise, Kluwer (1991). vide : un seul atome porté dans le niveau du haut de e la transition permet d’obtenir une inversion de • J. Hecht, The Laser Guidebook, 2 édition, McGraw-Hill (1992). population. Le gain est plus facile à obtenir. • G.P. Agrawal et N.K. Dutta, Semi-conductor Lasers, 2e édition, Van Nostrand (1993). Télémétrie • J.T. Verdeyen, Laser Electronics, 3e édition, Prentice-Hall (1995). Mesure de la distance à une cible. • L.A. Coldren et S.W. Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, Wiley (1995). Verrouillage de modes • L. Mandel et E. Wolf, Optical Coherence and Quantum Optics, Cambridge (1995). Méthode permettant de faire fonctionner le laser en régime impulsionnel, en verrouillant en phase • C. Fabre et J.-P. Pocholle, Les Lasers et leurs Applications Scientiﬁ ques et Médicales, Éditions de Physique (1996). de nombreux modes du laser formant un peigne de fréquences. Les impulsions obtenues ont des durées • M.O. Scully et M.S. Zubairy, Quantum Optics, Cambridge (1997). de l’ordre de la femtoseconde ou de la picoseconde. • O. Svelto et D.C. Hanna, Principles of Lasers, 4e édition, Plenum (1998). • W.T. Silvfast, Laser Fundamentals, Cambridge (2004). • W. Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer (2006). • Handbook of Lasers and Optics, édité par F. Träger, Springer (2007).

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 7 La première partie de ce numéro spécial comporte trois articles d’introduction, nécessaires à la compréhension des suivants. Tout d’abord, Charles Townes, prix Nobel de physique 1964, nous livre ses souvenirs de l’épopée de l’invention du laser. Puis, Catherine Schwob et Lucile Julien font un rappel simple, mais précis, des principes de base des lasers. Enfin, Sébastien Forget, Isabelle Robert-Philip et Philippe Balcou nous invitent à un tour d’horizon illustré des principaux types de lasers.

Laser à colorant émettant un faisceau lumineux de couleur variable. Ce laser à colorant, permettant de générer des impulsions nanosecondes au voisinage de 600 nm, est utilisé pour générer des trains d’impulsions ultra-courtes (< 1 ps) à des débits supérieurs au térahertz (1012 s– 1). (Laboratoire de physique de l’Université de Bourgogne, Dijon.) © CNRS Photothèque / RAGUET Hubert. Histoire et principe des lasers Souvenirs de la genèse du laser Charles H. Townes Professeur à l’université de Californie, Berkeley, USA

Dans ce texte, Charles Hard Townes, inventeur du maser et père du laser optique, présente ses souvenirs de cette épopée.

C.H. Townes a reçu (avec N.G. Basov et A.M. Prokhorov) le prix Nobel de physique en 1964, pour « des travaux de recherche fondamentale en électronique quantique, qui ont conduit à la construction d’oscillateurs et d’amplifi cateurs, basés sur le principe du maser-laser ».

Les principes physiques qui régissent le chercheurs, mais sans trouver de solution. de physique, et le Professeur Rabi, son fonctionnement des lasers étaient connus Juste avant la dernière réunion du comité, prédécesseur, vinrent me trouver dans e dès le début du XX siècle. En 1924, Richard je me suis éveillé très inquiet de notre mon laboratoire : « Charlie, cela ne va pas Tolman écrivait déjà : « Les molécules dans manque de succès. C’était un matin enso- marcher, et tu le sais. Tu gaspilles l’argent un état quantique excité sont susceptibles leillé et je suis allé m’asseoir sur un banc du département, il faut arrêter. » Je n’étais de retourner à leur état fondamental et public. Je songeais que, bien entendu, pas d’accord et ils repartirent, très contra- renforcent ainsi le faisceau principal par molécules et atomes peuvent produire de riés. Environ deux mois plus tard, en absorption négative – on notera que la courtes longueurs d’onde, mais j’avais avril 1954, Jim Gordon débarqua dans quantité d’absorption négative peut être préalablement écarté cette possibilité : la l’amphi où je faisais cours, et lança : « Ça négligée pour les expériences d’absorption thermodynamique limite l’intensité des marche. » Nous nous sommes tous précipités faites dans les conditions standard »(1). Mais radiations émises à une quantité déterminée au labo pour voir ce nouvel oscillateur. la vraie reconnaissance de l’utilité de l’am- par leur température. Mais l’évidence me Kusch et Rabi étaient tous deux spécialis- plifi cation par absorption négative n’est inter- sauta aux yeux : les molécules et les ato- tes des faisceaux moléculaires et lauréats venue que trente ans plus tard. Par ailleurs, mes ne sont pas tenus d’obéir à la thermo- du prix Nobel. Cela montre que les avancées les lasers et différents masers existent autour dynamique. Il est en effet possible d’en dans la recherche ne sont pas le pur produit de certaines étoiles depuis des milliards avoir plus dans l’état excité que dans l’état de l’intelligence. Il faut savoir quitter les d’années. Si nous avions pris soin par le fondamental. Je me trouvais alors à l’uni- chemins balisés et prendre des risques. passé d’observer systématiquement le versité de Columbia. Dans ce laboratoire, Il apparut plus tard que Basov et Prokhorov, rayonnement micro-onde, nous aurions on cherchait à séparer différents états de en Union soviétique, travaillaient sur une découvert celui, intense, émis par les faisceaux d’atomes et de molécules et j’ai idée assez similaire. Mais nous ne nous masers autour des étoiles. Nous aurions pensé à utiliser cette technique. Sortant sommes rencontrés qu’après la mise au point probablement compris le mécanisme de ces un papier et un crayon de ma poche, je de notre système (le leur ne fonctionnait radiations et aurions entrepris l’étude des notais quelques nombres et équations pas encore). De nombreux Américains et lasers et masers bien plus tôt. appropriés. Ça avait l’air de marcher ! quelques Européens avaient visité mon labo De retour à Columbia, j’ai convaincu et vu l’expérience en cours, mais ils Dans les années 50, ma recherche portait sur un étudiant, Jim Gordon, d’essayer de s’étaient montrés sceptiques et peu inté- la microscopie micro-onde des molécules à construire ce type de système amplifi cateur. ressés. Et je ne connaissais personne qui l’aide d’oscillateurs électroniques. Ces outils Je disposais de tout l’équipement micro- ait été assez intéressé ou optimiste pour ne pouvaient délivrer des longueurs d’onde onde et connaissais parfaitement les spec- tenter de rivaliser. plus courtes que quelques millimètres. tres micro-ondes des molécules. J’ai donc Un jour au déjeuner, mes étudiants et moi Pourtant, c’était ce régime que je souhaitais décidé de faire l’expérience avec des fais- avons choisi le terme Maser pour désigner ce atteindre pour étudier les nombreux spectres ceaux de molécules d’ammoniac, pour nouveau système, acronyme de Microwave présents dans l’infrarouge. Après plusieurs amplifi er et produire un oscillateur à une Amplifi cation by Stimulated Emission of tentatives infructueuses dans cette direc- longueur d’onde d’un centimètre. Avec Radiation. Il faut dire que l’intérêt pour ce tion, j’ai été choisi pour présider un comité l’aide de Herb Zeiger, un postdoctorant, nouvel amplifi cateur crût signifi cativement national qui explorerait cette voie. Nous Jim Gordon travaillait depuis deux ans à après l’annonce de sa mise en œuvre. Ce nous sommes rendus dans de nombreux la construction de ce système quand le domaine de recherche devint stratégique et laboratoires et nous avons discuté avec les Professeur Kusch, directeur du département hautement compétitif.

10 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 s’exclama : « Ah, j’y pensais justement, justement, peut-on » ? y ensemble J’acceptai pensais travailler Il j’y Ah, « optiques. : d’onde s’exclama longueurs les vers de parlai descendre de lui possibilité et mon la de idée Je sœur. petite ma épousant en beau-frère mon devenu d’ailleurs est qui Schawlow, Art mon post-doc, ancien travaillait où Labs, Bell aux consultant J’étais dévoilée. hypothèse en cette sitôt publier premier, de essaierait quelqu’un que devenu à et mode la en je effet savais était idée pour cette moi. de Le domaine garder je n’en le encore pas Comme fait avais tour, je décidai optiques. d’onde longueurs des faire qu’onpouvait numériquement montrer à m’y de décidai atteler. je maser, le sur années quelques après mais ondes, de telles produire de chance aucune avait n’y qu’il pensait longueurs aux d’onde tout Presque plus le courtes. monde m’intéresser à entendu, bien je continuais, Mais actif. recherche très nouvelles. des l’émergence à nuisent plus grands ont parfois des idées arrêtées les mêmequi que voir de étonnant C’est les. molécu- de nombre grand un sur moyenne la considérer pas ne et d’incertitude cipe prin- le tête en avoir devait Il pas. toujours quand nous Mais nous vrai. quittâmes, c’était il quene me et croyait mesures des fait dre.expliquailuiJeque» oui,nous avions être très pure ainsi produite. «Non, cela ne peut àammoniac et de la fréquence d’oscillation surquoi jetravaillais. Je lui parlai du maser aucoursd’une promenade, medemandail peuvent idées. nouvelles de susciter différents domaines de fi ques scienti- des entre interactions les combien montre Ceci résultats. ces Nous publiâmes réalisés. être pouvaient accordables masers des que et long temps un pendant excité u le que signifi Cela ait ! Incroyable l’électron. de du lente très relaxation la découvrir de venaient et semi-conducteur un dans de résonance la étudiaient derniers deux Ces recherches. leurs dans plongés étaient étudiants, un de mes anciens Honig, Arnold et Cambrisson Jean diant, étu- alors Cohen-Tannoudji, Claude où dans le travaillé Kastler, d’Alfred laboratoire j’ai Là, à Paris. supérieure, normale l’École à sabbatique année une passais je masers, Le maser était devenu un domaine de de domaine un devenu était maser Le et,rencontrai BohrNielsEurope,je En Tout en continuant à travailler sur les les sur travailler à continuant en Tout vrai », dit-il. », Vous« dit-il. vrai devez vous mépren- Ce qui m’amena à comprendre et et comprendre à m’amena qui Ce spin masers de l’électron pouvait être être pouvait l’électron de opérant jusque dans les les dans jusque opérant spin électronique électronique spin

l’article l’article nommé Ils convaincre. brevet, un déposer de les accepter fi par nirent pour retourner d’y Schawlow Art à proposai Je spécialistes. des par idées nouvelles du des exemple rejet nouvel tort, avaient qu’ils savions Nous si le nous souhaitions. nous-mêmes brevet rêt d’inté- pas ne présentait Cela munications. com- aux servir pas ne pouvait lumière la coup un de fije reçus tard, l : le pour cabinet, plus jours Quelques spécialisé. cabinet leur optiques le de les donner brevet sur judicieux fîmes. nous que c’est ce Et connue. possibilité cette sitôt nous, avant que quelqu’un publie grand était le risque car l’expérience, faire de avant théorique papier un publier de décidé avons Nous en micro-onde. cela se comme faisait fermée, cavité d’une que servir me pensais ne je se départ, Au il spectroscopie. la dont pour servait Fabry-Perot au grâce comme ment probable- parallèles vint lui idée Cette plans résonateur. deux utiliser : fut de taille Sa contribution évidemment. peu plus tard, tard, plus peu s’estun Un nom évident imposé prototype. un avant d’essayer de du construire domaine ces toutes inventions étaient le fait de Etlaboratoires d’universités. diplômés jeunes de étaient lasers premiers des inventeurs ces Tous Labs. Bell aux Herriott Don et laser hélium-néon d’Ali Javan, Bill Bennett le puis Electric, à et General Peter Sorokin Stevenson Mirek de celui Ainsi, suivirent. Ce fut le d’autres premier laser opérationnel, fl ashes les – de lumière rouge, crépiter mais aussi fide la presse ! t Maiman rience, expé- son Avec ! pensé pas avais n’y qui Et moi temporaire. excitation une minimum au produire fl pour ce ash, remarquable, idée fl Quelle lampe intense. d’une et ash rubis de cristal d’un l’aide 1960,à mai en prototype. le construire à pas parvinrent ne Ils étudiants. mes aider pour temps de peu me laissa qui mais sûr, du conseiller Poste que j’aibien accepté, gouvernement. que à tant en important poste Washington un proposé m’a on époque de cette à Malheureusement, étudiants. tentèrent qui mes y propres un laser, compris ceux construire furent breux of Emission Radiation Stimulated by Amplifi cation Schawlow et moi, nous avons publié publié avons nous moi, et Schawlow sembla nous il publication, la Avant Ted Maiman fabriqua le premier laser laser premier le fabriqua Maiman Ted pour eux et nous pouvions déposer ce ce déposer pouvions nous et eux pour Bl Lb, u l confi à le èrent qui Labs, Bell à Masers Optiques Optical Masers and Communication and Masers Optical . Suite à cette publication, nom- publication, à cette . Suite Laser, acronyme de de acronyme pour poser les bases les poser pour masers Light Light .

le livre livre le et Morel, a Diane dans été publié précédemment Treps traduit de l’anglais par Nicolas article, Cet Tolman, Richard (1) industriels. Une fois son intérêt suscité, suscité, succès avec et vite travaille intérêt l’industrie son fois Une industriels. et N. Treps, EDP Sciences (2010). Sciences Treps, N. EDP et exemples… des bien donneront en chimie de et physique de Professeurs des l’Union revue à la de ce commun numéro articles ressants inté- Les humain. bien-être au rablement considé- contribuer de susceptible et nante fasci- fois la à est fondamentale science La laire sur ô spectacu- combien – impact aussi l’économie mais science, la sur seulement de l’impact la recherche fondamentale non ce à s’attendre rapidement. croître à peut qu’ellecontinue on et année, que cha- dollars de milliards des maintenant brasse laser du L’industrie scientifi ques. purement applications les que économie notre et société notre sur important plus encore impact un eu entendu, bien ont, bang big le découvrir amplifi pour un maser cateur utilisé ont Wilson et Penzias travail. leur dans instrument-clé comme lasers des ou masers des utilisé scientifiayant des ques récompensé ont Nobel prix de d’une douzaine Plus étoiles. la des forme la mesurer et pour taille J’utilise lasers des science. maintenant nouvelle cette toute voir de ravi suis je et objet nouvel ce de scientifi ques utilisations les par intéressé masers. des toujours sont derniers micro-ondes. Ces les pour sauf lasers, des quepourxasersrayonssontlesCetousX. au premier plan. Pas de nouvel acronyme, envisagés rayons –ourayons sonttelX– passés gamma initialement été qui pas courtes, n’avaient plus encore d’ondes lasers nouvellescréations qui en découlent. Et des nonlinéaire,quec’est nombreuses desune l’opti- à Quant majeures. applications ses de usage médical, alors qu’aujourd’hui c’est prévoyaisune aucun ne exemple, je Parpoint. que personne n’envisageait lors de sa mise au s’est imposé dans de nombreux domaines, ce Le laser a modifi é en profondeur l’optique.auxtrès nombreuses applications Il des lasers ! ques,ont contribué laàcroissance rapide et Refl ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 L’histoire du laser est l’exemple parfait de du est l’exemple L’histoire laser parfait lasers des techniques applications Les spécifi plus quement j’étais départ, Au scientifi et - ingénieurs personnes, Tant de t ovn cmltmn inattendu. complètement souvent et et au au et physique Refl la de ets Le laser Le à l’origine de l’Univers. de l’origine à , coordonné par F. Bretenaker Bretenaker F. par coordonné , Rev. Phys. 24 (1924) 297. (1924) Bulletinde ❚ !

11 Histoire et principe des lasers Le laser : principe de fonctionnement

Catherine Schwob(1) ([email protected]) et Lucile Julien(2) (1) Institut des Nanosciences de Paris, UPMC/CNRS, Campus Boucicaut, 140 rue de Lourmel, 75015 Paris (2) Laboratoire Kastler Brossel, ENS/UPMC/CNRS, 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05

Les lasers êtent leurs 50 ans se propage, même sur de grandes distances, Cet article a pour objectif le faisceau laser reste bien parallèle et loca- d’expliquer le principe Le premier laser a vu le jour en mai lisé : cette propriété est la cohérence spatiale. 1960, dans un petit laboratoire industriel à Une autre caractéristique du faisceau de fonctionnement du laser, Malibu en Californie. Il s’agissait d’un laser, qui apparaît dans le domaine visible, est source lumineuse aux laser à rubis, fonctionnant en impulsions sa couleur bien souvent pure. Dans certains dans le rouge. Son inventeur, Theodore cas, il est quasi monochromatique, dans propriétés d’émission bien Maiman, créait ainsi le premier « maser d’autres il n’est composé que de certaines particulières. optique », concrétisant la proposition faite longueurs d’onde particulières ; cette pro- deux ans plus tôt par Arthur Schawlow et priété est la cohérence temporelle. Un laser est constitué Charles Townes de réaliser un oscillateur d’un milieu matériel dans optique, sur le modèle des masers inventés Ces propriétés de cohérence sont celles en 1954 dans le domaine des micro-ondes. du champ électromagnétique émis par le lequel l’amplifi cation Mais passer au domaine optique était loin laser. Un tel champ est caractérisé par sa de la lumière est possible, d’être évident, et de nombreux chercheurs fréquence, sa direction de propagation et sa s’y essayaient dans leur laboratoire. Le polarisation. Si l’on traite quantiquement ce d’un système de pompage succès de Maiman fut suivi rapidement de champ, c’est-à-dire qu’on le décrit en termes qui fournit de l’énergie beaucoup d’autres. Le premier laser de photons, ces caractéristiques défi nissent hélium-néon fut mis au point quelques ce qu’on appelle un mode du champ. Les à ce milieu et d’une cavité mois plus tard par Ali Javan aux Bell Labs. photons d’un faisceau laser sont donc dans optique. Dans les années suivantes, une grande un seul mode du champ ou dans un nombre variété de lasers vit le jour, fonctionnant restreint de modes. Dans un premier temps, avec des milieux et des longueurs d’onde de plus en plus diversifi és. De nos jours, L’amplifi cation stimulée on décrit le processus cette « curiosité de laboratoire » est devenue de rayonnement d’émission stimulée à la base un objet courant de la vie quotidienne. Le mot laser, s’il est devenu un terme de l’amplifi cation du rayonne- Un faisceau de lumière commun, est à l’origine un acronyme pour “Light amplifi cation by stimulated emission ment. On présente ensuite concentrée et ordonnée of radiation”, c’est-à-dire « Amplifi cation la cavité optique, qui permet Un faisceau laser se reconnaît du premier de lumière par émission stimulée de rayon- coup d’œil, car il est différent de la lumière nement ». Comme il apparaît dans cette de passer d’un système ordinaire : c’est un faisceau de lumière dénomination, l’émission stimulée – appelée qui amplifi e la lumière cohérente, qui se distingue de la lumière également émission induite – joue un rôle émise par les lampes classiques (lampes à clé dans le fonctionnement des masers et à une source lumineuse. incandescence, tubes fl uorescents, diodes des lasers. Cette cavité impose au faisceau électroluminescentes). Celles-ci émettent L’émission stimulée est un processus leur lumière dans des directions multiples, d’interaction entre lumière et matière, laser ses caractéristiques ce qui est bien adapté pour éclairer une pièce comme l’absorption et l’émission spontanée spatiales et temporelles, ou une région de l’espace. Au contraire, le (voir encadré 1). Pour décrire ces interac- faisceau émis par un laser est un fi n pin- tions, nous prendrons ici l’exemple d’un qui le distinguent de la lumière ceau se manifestant, lorsqu’il est arrêté par gaz où les processus d’interaction sont émise par les sources usuelles. un obstacle tel qu’un mur, par une tache individuels : ils concernent un atome isolé brillante et presque ponctuelle. Lorsqu’il et s’accompagnent de l’apparition ou de la >>>

12 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Laser Nd:GdCOB autodoublé, pompé par diode et émettant une puissance de 120 mW vers 530 nm. 530 vers mW 120 de puissance une émettant et diode par pompé autodoublé, Nd:GdCOB Laser  donc amplifiée. donc direction etlamêmephaseque l’onde incidente:celle-cisetrouve même la avec l’est émise L’onde mode. même ce dans l’est émis incidents sont dans un mode donné du rayonnement, alors le photon émettant un photon (fig. c). Ce processus est cohérent : si les photons de en fondamental état son à excité l’effet état son de passe l’atome celui-ci, Sous transition. de fréquence la avec résonant incident de inverse processus l’absorption, se produisant, comme elle, en présence de rayonnement du s’agit Il stimulée . l’émission troisième un processus, introduit a Einstein 1917, en publié article un Dans atomique, transition fréquence une la dont c’est-à-dire sur accordé rayonnement un avec interagissent atomes les où optique, résonance la de cas le dans Plaçons-nous moyenne est appelée « durée de vie » de l’état excité. L’émission spontanée, comme son nom l’indique, n’a pas besoin de rayonnement de besoin pas n’a l’indique, nom manifester. son se pour incident comme spontanée, L’émission excité. l’état de » vie de durée « appelée est moyenne valeur la dont mais aléatoire, aussi lui temps d’un bout au et aléatoire direction une dans émis est photon Ce b). (fig. photon un émettant en fondamental état son dans redescend excité état son dans initialement l’atome spontanée, l’émission de Lors atténuée. trouve se celle-ci et l’onde de son état fondamental d’énergie fondamental état son de À l’époque de Bohr, on ne connaissait que deux processus d’interaction, l’absorption et l’ émission spontanée. Lors de l’absorption, l’atome passe Les trois processus d’interaction résonante atome-rayonnement résonante d’interaction processus trois Les fait disparaître un photon ; photon un disparaître fait d’absorption processus Le l’absorption atténue l’onde incidente. l’onde atténue l’absorption N photons ν vérifie la relation la vérifie E 1 , noté 1, à son état excité d’énergie excité état son à 1, noté , N photons (N –1)photons 2 1 E 2 – E 1 = hν. a

(N –1)photons 2 1

0 photon du champ que l’onde incidente ; l’onde est amplifiest l’onde ; incidente l’onde que champ du ée. Le processus d’émission stimulée fait apparaître un photon dans le même mode E 2 de disparu a photon un ; a) (fig. photon un absorbant en 2, noté , N photons

CNRS Photothèque / LCFIO / GEORGES Patrick. GEORGES / LCFIO / Photothèque CNRS © 2 1 la lumière est émise dans une direction et avec une phase aléatoires. phase une avec et direction une dans émise est lumière la Le processus d’émission spontanée fait apparaître un photon ; 0 photon aléatoire dans unedirection 1 photonémis Reﬂ ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 2 1 1 2 (N +1)photons aléatoire dans unedirection 1 photonémis Encadré 1 Encadré b c

13 Histoire et principe des lasers >>> disparition d’un photon (de plusieurs façon transitoire, soit de façon permanente. La cavité laser la plus simple est constituée photons dans le cadre de l’optique non C’est ce que l’on appelle le pompage. Une de deux miroirs se faisant face. On parle linéaire). partie de cette énergie fournie aux atomes de cavité « Fabry-Perot », bien connue en En 1913, Bohr a décrit l’interaction entre sera restituée sous forme de rayonnement interférométrie. Dans une telle cavité, l’un un atome et le rayonnement de la façon à la fréquence ν lors de l’amplifi cation. des miroirs réfl échit totalement la lumière suivante : l’atome peut absorber ou émettre Différentes méthodes de pompage sont à la longueur d’onde considérée. L’autre, de la lumière lorsqu’il effectue un « saut possibles : électrique, chimique, optique. le miroir de sortie, transmet une petite quantique » entre deux de ses états d’énergie. De même, des milieux amplifi cateurs fraction de la puissance lumineuse présente

Si E1 et E2 sont les énergies de ces deux états, divers peuvent être utilisés : des ions de dans la cavité ; l’onde transmise constitue choisies telles que E2 > E1, on a la relation chrome dans une matrice solide comme le faisceau laser. E2 – E1 = hν, où h est la constante de Planck c’est le cas pour le laser à rubis, mais aussi, par La lumière, réfl échie successivement par et ν la fréquence du rayonnement. Le exemple, des gaz ou des semi-conducteurs, les deux miroirs, fait des allers-retours dans produit hν est l’énergie du photon absorbé comme détaillé dans l’article de Sébastien la cavité. Pour que la lumière vienne, à ou émis, de sorte que cette relation refl ète Forget et al. (pp. 22-23). chaque passage dans l’amplifi cateur, ren- la conservation de l’énergie dans le pro- forcer l’onde lumineuse qui circule dans le cessus d’interaction : l’énergie perdue par Les éléments constitutifs laser, il faut que ces ondes soient en phase. le rayonnement est fournie à l’atome dans d’un laser Le chemin optique dans la cavité, corres- le cas de l’absorption, ou réciproquement pondant à un aller-retour, doit être égal à dans le cas de l’émission. Il existe trois Grâce à l’émission stimulée, il est possible un nombre entier de fois la longueur processus d’interaction entre atomes et par pompage de réaliser une inversion de d’onde. C’est la condition de résonance : rayonnement, décrits dans l’encadré 1. population, de sorte que les atomes ampli- 2L = pλ, soit L = pλ/2, L’émission stimulée introduite par Einstein fi ent la lumière. Cependant, un laser est une où L est la distance séparant les deux permet, dans certaines conditions, d’am- source de lumière et non pas un amplifi - miroirs, λ la longueur d’onde de la lumière plifi er le rayonnement. cateur. Pour réaliser un laser, il faut donc et p un nombre entier. Pour une longueur transformer notre amplifi cateur de lumière L fi xée, seules les longueurs d’onde vérifi ant Amplifi er la lumière en créant en oscillateur. la relation ci-dessus pourront donc être une inversion de population Une telle transformation est obtenue présentes dans le faisceau laser. couramment dans le domaine de l’électro- Les modes associés aux différentes Si l’émission stimulée a pour effet d’am- nique : en reliant la sortie d’un amplifi cateur valeurs de p vérifi ant cette relation sont plifi er la lumière, dans le même temps, à l’une de ses entrées, le système se met à appelés modes longitudinaux de la cavité. l’absorption a pour effet de l’atténuer. osciller. C’est aussi elle qui intervient en L’écart en fréquence entre deux modes Peut-on rendre l’émission stimulée acoustique dans l’effet Larsen. Dans les deux voisins est donné par Δν = c/2L, où c est prépondérante ? cas, l’oscillation démarre sur le « bruit » la vitesse de la lumière. En pratique, on n’a pas un seul atome (électrique ou sonore), c’est-à-dire sur des En pratique, l’un au moins des miroirs de en présence du rayonnement, mais un grand fl uctuations de l’environnement. Pour le laser, la cavité doit être concave, afi n de concentrer nombre d’atomes. Parmi eux, certains sont c’est l’émission spontanée qui jouera le la lumière latéralement pour qu’elle soit dans l’état 1, et d’autres dans l’état 2. rôle de « bruit ». recueillie entièrement par les miroirs et Einstein a montré qu’absorption et Pour réaliser un laser, il faut donc ren- limiter ainsi les pertes par diffraction. En émission stimulée se produisent avec des voyer la lumière dans le milieu amplifi cateur conséquence, l’onde lumineuse qui circule probabilités données par la même expression, grâce à un jeu de miroirs, en réalisant une dans la cavité laser et le faisceau émis ne la seule différence étant que la première cavité optique. La fi gure 1 représente le cas sont pas des ondes planes, et le rayon du est proportionnelle au nombre d’atomes d’une cavité en anneau, constituée de faisceau n’est pas constant au cours de sa par unité de volume dans l’état 1 (appelé quatre miroirs. propagation (voir encadré 2).

population de l’état 1 et noté n1), tandis >>> que la seconde l’est à la population n2 de l’état excité. Pour que l’émission stimulée l’emporte sur l’absorption, il faut donc Pompage que l’on ait n2 > n1 ; c’est ce qu’on appelle réaliser une inversion de population. Miroir de sortie Cette condition n’est pas facile à obtenir car, laissé à lui-même, un atome se trouve Milieu amplificateur naturellement dans son état fondamental de Faisceau laser plus basse énergie, dans lequel l’émission spontanée le ramène toujours. C’est son état d’équilibre. Pour imposer à l’atome d’être dans un état hors d’équilibre, il faut lui fournir de l’énergie qui le portera dans son état excité 1. Transformation d’un amplifi cateur en oscillateur (laser) : un jeu de miroirs renvoie à l’entrée de l’am- aﬁ n de réaliser la condition n2 > n1, soit de plifi cateur la lumière qu’il a émise. Le miroir en haut à droite est partiellement transparent.

14 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927  =60n) 2 bt pu u “le a Disk” Ray “Blue un pour Gbits 27 nm), 650 = ( λ DVD un pour Gbits 4,7 nm). 405 = (λ nm), 780 = (λ CD un pour Mbits 650 : accrue régulièrement été a cm 12 diamètre de disques les sur stockage de capacité la petites, plus en plus de d’onde longueurs de semi-conducteurs à lasers de développement au autres, entre grâce, pourquoi, C’est longueur la de l’ordre petite. est de donnée information une est lire ou et écrire pour nécessaire diffraction surface la la plus courte, est par celle-ci Plus d’onde. limité est ainsi obtenue être peut qui tache la de minimum diamètre le : extérieure lentille une par focalisé être peut laser le par émis faisceau le nécessaire, si pratique, En petite). également est Rayleigh de longueur (la ensuite diverge sans diverger est à la base de nombreuses applications nombreuses de base la à est diverger sans rayon du faisceau reste quasiment constant. Cette propriété du faisceau laser de se propager sur de grandes distances sa µm, 600 le de m, 2 col del’ordre propagationde distance deun une sur signifieque,sur Ceci m. focalisé d’environ2 Rayleighest longueurdeest faisceau le si : nm) 633 = (λ hélium-néon laser d’un l’exemple Prenons cavité. la de l’extérieur à placées lentilles, de ou miroirs de l’aide à l’utilisateur de besoins aux adaptées être peuvent Elles Le faisceau transmis par le miroir de sortie a les mêmes caractéristiques que celles du faisceau incident sur ce miroir. notée Le rayon du faisceau laser prend une valeur minimale, appelée col du faisceau ou “waist” en anglais et usuellement de 10 cm et une divergence de 1 µrad à la sortie du télescope, ce qui correspond à une tache de 1 km de diamètre au niveau de la Lune, si on ne tient pas tient ne on si Lune, la de niveau au diamètre de l’atmosphère. km de traversée 1 la à de liés effets des tache compte une à correspond qui ce télescope, du sortie la à µrad 1 de divergence une et cm l’ordre 10 de de rayon un a laser faisceau le km), 400 (384 Terre-Lune distance la de mesure la de cas le Dans télémétrie. la est d’application domaines des L’un (1) de l’axe de Que ce soit dans la cavité ou à l’extérieur, le rayon du faisceau (noté ci-dessous). (figure importante plus la est d’énergie densité la que là c’est car stimulée, d’émission maximum le d’obtenir afin amplificateur, milieu le place l’on que col du position la de autour généralement c’est laser, cavité la Dans divergent. est faisceau le : sphérique onde une à assimilée être peut lumineuse l’onde col, du à diaphragme de diamètre 2w diamètre de diaphragme (où du col sur laquelle le rayon du faisceau a augmenté de augmenté a faisceau du rayon le laquelle sur col du focalise (en utilisant des miroirs concaves de faible rayon de courbure), plus courbure), de rayon faible de concaves miroirs des utilisant (en focalise on plus effet, En rayon. petit très de et directif très faisceau un simultanément obtenir pas peut ne on Toutefois, rayon du faisceau au col. au faisceau du rayon Géométrie du faisceau dans la cavité laser. cavité la dans faisceau du Géométrie w Col du faisceau laser et longueur de Rayleigh de longueur et laser faisceau du Col 0 s l lnuu dod d l lmèe, ebal à ’xrsin e a ifato d l lmèe a un par lumière la de diffraction la de l’expression à semblable lumière), la de d’onde longueur la est λ , l’onde lumineuse est peu divergente, la taille transverse du faisceau ne varie quasiment pas. À l’opposé, loin loin l’opposé, À pas. quasiment varie ne faisceau du transverse taille la divergente, peu est lumineuse l’onde , w 0 . Cette valeur dépend du rayon de courbure des miroirs de la cavité. Autour de la position correspondant correspondant position la de Autour cavité. la de miroirs des courbure de rayon du dépend valeur Cette . suivant la relation la suivant z 0 . ) = w(z) w Milieu amplificateur 0 [1 + (z/ + [1 ) est le rayon du faisceau en un point quelconque de sa propagation, sa de quelconque point un en faisceau du rayon le est w(z) Miroirs R ) 2 ] 2 w 1/2 . La longueur de Rayleigh, notée Rayleigh, de longueur La . 0 (1) w . 0 à (2) à 1/2 w 0 . Elle est donnée par la relation la par donnée est Elle . w) évolue au cours de la propagation le long Reﬂ ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 2w(z) w 0 est petit, mais plus le faisceau le plus mais petit, est z R , est la distance à partir à distance la est , transparent partiellement Miroir z R = w π 0 est le est w Encadré 2 Encadré 0 2 Z /λ

15 Histoire et principe des lasers >>> Les éléments constitutifs d’un laser sont croissent pas indéfi niment au cours du Gain Gain donc : processus d’amplifi cation. En effet, lorsque Pertes Pertes  un milieu amplifi cateur, pompé dans un l’intensité augmente, des phénomènes de état où il peut émettre de la lumière par saturation ont pour effet de diminuer le émission stimulée, et ceci, dans une gamme gain de l’amplifi cation. En régime station- de fréquences caractéristique du milieu ; naire, le point de fonctionnement du laser  une source d’énergie assurant le pompage est atteint pour une intensité lumineuse a du milieu amplifi cateur ; dans la cavité telle que le gain est égal aux ν ν  une cavité optique qui permet le bouclage pertes. Gain Gain du dispositif et impose au faisceau émis La condition d’oscillation dépend (i) de ses caractéristiques spatiales (direction,Pertes la longueur d’onde par l’intermédiaire du Pertes divergence) et temporelles (spectre de gain du milieu amplifi cateur, l’amplifi cation fréquences). par émission stimulée n’étant possible que Une partie de l’énergie lumineuse présente dans la gamme de fréquences caractéristique dans la cavité s’en échappe : c’est l’émission du milieu, et (ii) des coeffi cients de b du faisceau laser. réfl exion des miroirs. De ν plus, la cavité ν optique n’est résonante que pour certaines Les conditions d’oscillation laser longueurs d’onde bien particulières, asso- 2. Gain du milieu amplifi cateur en fonction de la ciées aux modes longitudinaux de la cavité. fréquence (courbe bleu foncé) et modes de la cavité Dans un milieu absorbant, l’intensité On va donc éventuellement avoir plusieurs (traits verts), les pertes du système (ligne turquoise) lumineuse est atténuée lors de la propagation, modes vérifi ant la condition « gain supé- étant supposées constantes. (a) Si la condition « gain par un facteur de la forme exp(– Kl), où K rieur aux pertes », chacun pour sa longueur supérieur aux pertes » est vérifi ée pour plusieurs est le coeffi cient d’absorption du milieu, d’onde. On dit dans ce cas que le laser modes de la cavité, le laser fonctionne en multimode. (b) Si cette condition n’est vérifi ée que pour un seul proportionnel à la densité d’absorbant, et l fonctionne en multimode : il émet plu- mode, le laser fonctionne en monomode. l’épaisseur du milieu traversé. sieurs fréquences voisines, séparées de c/2L. De la même façon, au sein du laser, le Si, au contraire, un seul mode vérifi e la rapport entre l’énergie de l’onde lumineuse condition, le laser fonctionne en mono- après et avant le passage dans le milieu mode et n’émet qu’une seule fréquence Les propriétés remarquables des faisceaux amplifi cateur, appelé gain de l’amplifi cation, (fi g. 2). laser font qu’ils sont utilisés dans de nom- s’écrit : G = exp (αl), où α est donné par Pour certaines applications, il est néces- breuses applications. Des codes-barres aux

α = σ(ν) (n2 – n1). La quantité σ(ν) est la saire de disposer d’un laser monomode. imprimantes laser, du stockage à la lecture section effi cace d’interaction entre les atomes Pour passer de la confi guration multimode et au transport d’information, les lasers ont et l’onde ; elle dépend de la fréquence ν. à la confi guration monomode, on peut transformé notre vie quotidienne. Dans le En présence d’inversion de population, sélectionner un mode en insérant à l’inté- bâtiment et l’industrie ils sont des outils

n2 > n1, α est positif et le gain est supérieur à 1. rieur de la cavité laser un élément optique universels pour aligner, percer, découper Pour que l’oscillation laser démarre, il faut sélectif en fréquence, par exemple une et souder. Ils permettent de mesurer les que, pour chaque passage dans le milieu « sous-cavité » plus courte de type Fabry- traces de polluants, les distances et les amplifi cateur, ce gain soit supérieur aux Perot (une simple lame de verre peut vitesses. En médecine, ils sont des instru- pertes de la cavité : c’est ce que l’on appelle jouer ce rôle) ; ceci revient à imposer une ments thérapeutiques sélectifs et précis. la condition d’oscillation. La principale cause nouvelle condition de résonance, qui n’est Les lasers sont déjà à la base de nombreuses de pertes est la transmission du miroir de satisfaite que par un seul mode. avancées de la recherche fondamentale ; sortie. D’autres pertes, que l’on cherche à ils seront encore bien présents à l’avenir minimiser, peuvent également exister dans Une grande variété pour sonder la matière, contrôler la fusion la cavité : absorption, diffusion, réfl exion aux de réalisations et d’applications nucléaire, détecter les ondes gravitation- interfaces ou diffraction. nelles, et auront certainement bien d’autres En considérant, comme ci-dessus, une Depuis la mise au point du premier laser applications que nous ne soupçonnons pas cavité formée de deux miroirs, dont l’un en 1960, des dispositifs lasers de toutes encore… Un grand nombre de ces sujets seul n’est pas totalement réfl échissant, le sortes ont été réalisés. Ils utilisent des est traité dans les autres articles de ce gain global sur un tour complet dans la milieux amplifi cateurs qui peuvent être numéro spécial. ❚ cavité est le produit du gain G et du coef- gazeux, liquides ou solides, et des méthodes fi cient de réfl exion R de ce miroir. Pour de pompage variées. On trouve en outre que l’oscillation démarre, il faut que de multiples variantes dans la géométrie G × R ≥ 1. L’égalité donne le seuil d’os- des cavités. Enfi n, leur fonctionnement Pour en savoir plus cillation. En dessous du seuil, l’intensité peut être continu ou en impulsions (relaxé, • L. Dettwiller, Les lasers et leurs applications, Ellipses (1998). de l’onde dans la cavité est négligeable ; déclenché ou à modes bloqués) et l’on sait • B. Cagnac et J.-P. Faroux, Lasers, Interaction Lumière- au-dessus du seuil, un faisceau laser est maintenant produire des impulsions femto- Atomes, EDP Sciences, collection Savoirs Actuels (2002). - 15 émis. Cependant, l’intensité lumineuse secondes (1 fs = 10 s), de durée compa- • D. Dangoisse, D. Hennequin et V. Zehnlé, Les Lasers, dans la cavité, et donc l’intensité émise par rable à la période de l’oscillation de l’onde 2e édition, Dunod (2004). le laser à travers son miroir de sortie, ne électromagnétique. • C. Delsart, Lasers et Optique Non-linéaire, Ellipses (2008).

16 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 17 Les diff érents lasers : un tour d’horizon

Sébastien Forget(1) ([email protected]), Isabelle Robert-Philip(2) et Philippe Balcou(3) (1) Laboratoire de physique des lasers, Université Paris 13, 99 avenue J.-B. Clément, 93430 Villetaneuse (2) Laboratoire de photonique et de nanostructures, CNRS, Route de Nozay, 91460 Marcoussis (3) Centre des lasers intenses et applications, Université de Bordeaux 1, 351 cours de la Libération, 33405 Talence Cedex

Les lasers sont multiples : Le laser a cinquante ans. Ses premiers Des lasers de plus en plus petits photons sont nés dans un cristal de rubis, en fonction de leurs caracté- formant le premier laser solide (voir enca- Vedettes des lasers par leur nombre et ristiques physiques dré 1 et p. 22). Puis ont été inventés les leur chiffre d’affaires, les lasers à semi- lasers à gaz (p. 22), les lasers à semi-conduc- conducteurs (voir p. 23) font toujours intrinsèques (quel milieu teurs (p. 23) et les lasers à colorants (p. 23)… l’objet de travaux de recherche. Avec les à gain ? quelle cavité ? Cette invention majeure du siècle dernier a progrès des techniques de fabrication, la bouleversé nos modes de vie : à la maison, réduction de la taille des composants quel pompage ?), ils produisent le laser nous permet de visionner des DVD, microélectroniques se poursuit. Dans cette des rayonnements couvrant d’écouter des CD ; au supermarché, le laser lit course, on conçoit qu’à l’avenir, la seule les codes-barres imprimés sur les emballages ; adaptation des technologies antérieures ne des plages extrêmement vastes, dans l’industrie, il peut couper, souder, permettra pas de poursuivre le rythme des tant du point de vue spectral percer [1] ; en médecine, il répare ou il brûle améliorations de performances. Devant des zones malades sans endommager les cet état de fait, il est donc nécessaire de – de l’extrême ultraviolet zones saines [2]… À chaque application son mettre en œuvre des solutions évolutives au lointain infrarouge – que laser : une myriade de lasers aux propriétés (nouveaux matériaux, architectures origi- variées (puissance, durée d’impulsions, lon- nales…) ou révolutionnaires. Parmi ces temporel – du régime continu gueur d’onde, fi nesse spectrale…) permet dernières, une solution vise à combiner aux attosecondes – ou encore ainsi de trouver la bonne solution à chacune optique et microélectronique. Ceci passe des problématiques. par une réduction de la taille des lasers. énergétique – du nano Parallèlement à ces nombreuses applica- C’est là la clé du succès des lasers semi- au mégajoule. C’est de cette tions dans notre quotidien, les lasers restent conducteurs de petite taille. encore présents dans les laboratoires. Ils ont impressionnante diversité notamment ouvert la voie à d’importantes Mais les chercheurs veulent aller plus loin, que les lasers tirent leur découvertes en physique fondamentale : on avec le développement des microlasers, peut citer, par exemple, la manipulation et voire des nanolasers. Dans ce domaine, on capacité à répondre à tant le refroidissement d’atomes par les lasers, peut citer pour exemple le développement d’applications différentes. qui ont conduit à l’élaboration d’horloges de lasers Raman sur silicium, matériau atomiques toujours plus précises [3]. Outre peu onéreux et compatible avec les tech- Nous vous proposons dans un outil devenu indispensable pour la nologies de la microélectronique. Une autre recherche, le laser est aussi un objet de approche explore des technologies hybrides, cet article de faire un rapide recherche en soi. Dans les laboratoires, les associant microcircuits en silicium et circuit tour d’horizon des différents chercheurs conçoivent aujourd’hui les lasers photonique en arséniure de gallium ou de demain, toujours plus performants. Sans phosphure d’indium. Cependant, à ces types de lasers existants prétendre faire une liste exhaustive de échelles submicroniques, les mécanismes et de leurs performances. toutes les études menées à ce jour, donnons qui gouvernent le fonctionnement de la ici quelques exemples d’axes aujourd’hui source laser sont signifi cativement modi- explorés pour en montrer la diversité : fi és, imposant de revisiter la physique des certains d’entre eux seront développés plus lasers lorsque leurs dimensions deviennent en détails dans d’autres articles de ce égales ou inférieures à la longueur d’onde numéro spécial. optique [4]. >>>

18 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Cristaux de silicates de calcium et d’aluminium dopés par différentes terres rares, et utilisés comme matériaux lasers matériaux comme utilisés et rares, terres différentes par dopés d’aluminium et calcium de silicates de Cristaux  marquantes furent l’invention du laser à semi-conducteur (1962, R. Hall), du laser CO laser du Hall), R. (1962, semi-conducteur à laser du l’invention furent marquantes plus les avancées Les exotiques. moins ou plus matériaux des dans lasers nouveaux de foisonnement un virent suivirent qui années cinq Les d’application. eu jamais n’ont cryogénique, refroidissement un nécessitaient qui lasers, ces Néanmoins samarium. du ou l’uranium de avec dopé calcium de fluorure de laser solide à quatre 7), niveaux avec (voir un glossaire, 16) seuil p. bien d’oscillation plus (cf. bas p. que celui du rubis, en utilisant un cristal premier le point au mis ont d’IBM, laboratoires les dans Stevenson, Mike et Sorokin Peter : deux les entre » inventé « été a laser autre qu’un avec son mélange d’hélium et de néon, laser qui rencontrera un succès commercial et scientifique d’importance. On oublie pourtant souvent électriquement), pompé laser premier le aussi et gaz, à laser premier le également (c’est continu laser premier le néanmoins réalisera Javan ! observé est laser l’effet et (voir » niveaux trois « à dit laser flashes, ces à grâce obtenue être système peut population de l’inversion qualité, haute de pas soient ne miroirs les que et efficace, peu 7) p. glossaire, un produise chrome l’ion de structure la que Bien bref. temps un pendant énorme intensité une effet laser. L’idée décisive sera d’accepter d’obtenir une émission pulsée en utilisant comme pompe des lampes flash du commerce, produisant d’un l’obtention à favorable milieu un est ») maseristes « des connu bien déjà matériau un chrome, ions des avec dopé d’alumine cristal un (c’est-à-dire rubis son que persuadé est Maiman Ted Schawlow, d’Arthur pessimistes prédictions les malgré et coin, son dans : tard trop c’est Mais 1960. fin µm, 1,15 à laser effet un obtenir enfin pour nécessaires sont laboratoire, prestigieux ce de illimités quasi fonds faible que des trésors si de technique et d’ingéniosité, est soutenus par les Labs, Bell des Bennett, Bill et Javan Ali par identifié gazeux mélange le alors dans gain le appelaient Malheureusement, ». optique qu’ils maser « un ce former pour envisageaient Schawlow et Townes que optiques, d’ondes longueurs des domaine le ce, dans mais fonctionnement, et de type gazeux, même ce milieu C’est continue. un façon de dans micro-ondes des amplifier pour stimulée d’émission phénomène le utilisait maser Le auparavant. comme » m « un avec », maser « du démonstration sa dans University) (Columbia Townes Charles par rencontré succès le suivi a 50, années des fin la à laser, premier le l’évidence. En effet, une intense période de recherches visant à créer de pas pourtant relève ne historique fait Ce laser. photon premier le sort que rubis de cristal d’un c’est : Californie Malibu, à Labs), 16 mai 1960, dans le laboratoire de Ted Maiman (Hughes Research (N. Basov 1970), laser à électrons libres (J. Madey, 1976), laser titane-saphir (P.F. Moulton, 1982), laser à cascade quantique (J. Faist / Faist (J. quantique cascade à laser 1982), Moulton, (P.F. titane-saphir jeté. déjà était bases laser des l’essentiel mais ; 1994)… Capasso, 1976), F. / Sirtori C. Madey, (J. libres électrons à laser 1970), Basov (N. excimère à laser : d’importance lasers de types quelques de et d’applications myriade d’une développement le virent ultérieures décennies Les Les glorieux pionniers glorieux Les , quelques années quelques microwaves,

ii éot : n s faps a l’élégance, par frappés est on : dispositif. du compacité la et simplicité la démonté ici Maiman, de rubis à laser Le 2 (K. Patel, 1964) et du laser à colorant (P. Sorokin, 1966). Sorokin, (P. colorant à laser du et 1964) Patel, (K. (CMCP, Paris). (CMCP, Reﬂ ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 CNRS Photothèque / DELHAYE Claude. DELHAYE / Photothèque CNRS © Encadré 1 Encadré

19 Histoire et principe des lasers Laser pulsé à colorant solide. (Laboratoire de physique des lasers, Villetaneuse) © LPL, S. Forget >>>

Des lasers laser a la particularité d’être généralement sances si considérables (de l’ordre de de plus en plus puissants très chaud – de quelques milliers jusqu’à l’exawatt – 1018 watts) qu’elles permettront Si la course à la miniaturisation est bel et plusieurs dizaines de millions de kelvins. d’étudier les interactions lumière-matière à bien engagée, une autre course est ouverte Un grand nombre de phénomènes physiques une échelle inédite [7]. aujourd’hui : celle à la puissance. Par s’y déroulent, avec des applications poten- exemple, l’industrie soude, coupe et perce tiellement révolutionnaires. Ainsi, une Des lasers aux grandes avec des lasers à gaz très puissants (voir particularité des plasmas est de pouvoir et basses longueurs d’onde p. 22 et référence [1]). Les lasers à fi bres supporter des champs électriques très optiques (p. 22) pourraient succéder à ces importants, typiquement dix mille fois La prometteuse carrière du laser dans le lasers à gaz. Outre ces applications indus- supérieurs à ceux que peuvent supporter domaine de la recherche ne s’arrête pas à trielles, les lasers se sont rapidement révélés des isolants avant de claquer – l’avantage du sa réduction en taille et à ses performances comme des outils extraordinaires pour plasma est ici évident, puisqu’un claquage en termes de puissance. Si la diversité des faire apparaître, puis étudier, des états n’est autre qu’une transition brutale vers un milieux amplifi cateurs utilisés et l’ingé- extrêmes de la matière. Il est en particulier plasma – et on ne peut pas « claquer » un niosité dans l’architecture des sources lasers possible de concentrer en temps l’énergie milieu déjà ionisé. Grâce à un mécanisme permettent de couvrir une large partie du d’un laser en une impulsion lumineuse, appelé « accélération par sillage », il apparaît spectre électromagnétique, il reste néan- dont la durée peut varier de quelques femto- aujourd’hui possible d’accélérer des électrons moins que les sources de lumière laser secondes, jusqu’à quelques centaines de sur des distances millimétriques ou centi- sont encore absentes dans certaines gam- nanosecondes. La puissance du laser – son métriques jusqu’à des énergies énormes mes de longueurs d’onde. énergie concentrée en temps – peut devenir – l’accélération d’électrons par laser jusqu’à absolument colossale, allant du gigawatt un gigaélectron-volt a ainsi été démontrée C’est ce à quoi tentent de répondre pour les « petits » lasers intenses, jusqu’à expérimentalement. On envisage donc très notamment les lasers à cascade quantique, des niveaux dépassant aujourd’hui le sérieusement de futures générations d’ac- qui couvrent de nos jours le moyen infra- petawatt (1015 watts). À titre de comparaison, célérateurs de particules par laser [5] ! rouge entre 3 et 24 µm et le térahertz la puissance électrique maximale disponible Les avancées les plus spectaculaires en (THz) entre 60 et 300 µm, territoires pra- en France sur l’ensemble du territoire termes de puissance viendront certainement tiquement vierges pour les lasers. Pourtant, national est de l’ordre de 100 GW ! Mais des lasers ultra-intenses qui occuperont des le champ d’applications est vaste : détection cette puissance électrique est mise à notre infrastructures gigantesques. On peut citer de molécules polluantes, contre-mesures disposition en continu, alors que les lasers le Laser Mégajoule, actuellement en optiques… Ces lasers, démontrés pour la intenses ne délivrent de telles puissances construction à Bordeaux. Au cœur de ce première fois en 1994 dans le moyen infra- que pendant des temps très brefs. dispositif, deux cents faisceaux laser conver- rouge et en 2001 dans la gamme THz, sont Toute matière soumise à de telles puis- geront en un point pour fournir une énergie des lasers à semi-conducteurs (voir p. 23). sances se transforme en plasma, c’est-à-dire colossale de deux mégajoules en quelques Cependant, à la différence des diodes lasers en fl uide d’électrons arrachés des atomes, nanosecondes. Une application phare de tels usuelles, dans lesquelles l’émission de et d’ions. L’état plasma nous est en fait bien lasers de puissance concerne la production lumière provient de transitions optiques connu – il est dominant à l’échelle de d’énergie par fusion contrôlée [6]. Un autre entre la bande de conduction et la bande de l’Univers, et est présent dans notre vie exemple est le projet européen Extreme valence, les lasers à cascade quantique quotidienne via les tubes fl uorescents, la Light Infrastructure, qui devrait voir le jour utilisent les transitions entre les « sous- fl amme des bougies… Un plasma créé par d’ici quelques années et produire des puis- bandes » de la bande de conduction dans

20 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 osciller plusieurs centaines de fois ; un pro- un ; fois de centaines plusieurs osciller faisant les magnétique dispositif onduleur, un dans injectés alors sont électrons Ces d’électrons à des énergies dépassant 10 GeV. des paquets de portant longueur, kilomètres quelques à mètres de centaines plusieurs comprennent systèmes tout d’abord un accélérateur Ces d’électrons, de ». X libres à à X lasers rayons : les « lasers des créer pour aujourd’hui, voie à s’imposer tend Enfi [8]. troisième50nm) uneà10 n, (de ultraviolet l’extrême de la domaine le et dans infrarouge, proche convertirfréquenceendirectement jusque le dans laser on sait, par exemple, partir d’une impulsion : de l’optique issues non approches linéaire alternatives, des par « lasers complétés Ces sont » plasma. EUV un est actif milieu lelesquels l’extrêmedans ultraviolet, dans lasers des créer à néanmoins parvient on niveauxexcités. Depuisans, environ vingt des vie deduréefaible très la deraison en longtemps été une zone interdite aux lasers, tique, les rayonnements ultraviolet et X ont d’onde. longueur en accordabilité une puissancequ’elles délivrent ou bien obtenir la accroître sources, ces de fonctionnement de températureélever la pournotamment poursuivent, se efforts Les milliwatts. de sont de dizaines quelques délivrées puissances quencesest de l’ordre de 180 kelvins, et lesfré- de gamme cette dans fonctionnement adéquats Actuellement,lerecord températuredede optiques guides des développer optique transition aussifaible enénergie, etnécessitédela de une avec population diffila inversiondede d’obtenirune culté plexenotammentmoinsetmature,fait du com- plus est THz domaine le dans lasers commercialisés. watts aujourd’hui 100 sont qu’ils point au jusqu’à crête…), des délivrées accroissement puissances pulsé, en en ou opération continu ambiante, température à remarquablesprogrès(fonctionnementdes lemoyen ontdans connulasersinfrarouge tels de performances Les quantiques). puits ducomposant (en particulierlalargeur des structure la sur d’ondeen travaillant donnée longueur une d’obtenir possible donc est niveaux Il quantiques.puits des les dans électroniques ingénierie astucieuse une par mais interbandes, pour les comme lasers a dtrié pr le par déterminée pas la longueur d’onde d’émission du laser n’est de semi-conducteurs : hétérostructures les De l’autre côté du spectre électromagné- spectre du côté l’autre De ces de développement le revanche, En gap du matériau, matériau, du électrons électrons .

voire même de quelques millimètres ! millimètres quelques de même voire mètres, de l’ordre dix distances des sur processus le reproduire pour aujourd’hui apparaissent idées plusieurs prohibitive, champs ce de taille nombreux la si de ; d’applications et ouvre d’études dispositif nouveau encore,ce Là 2009. en X lasers de ceaux fais- premiers ses fourni LCLS, ainsi a Berkeley, à américain système Le ! ångström d’onde d’un longueur une jusqu’à X, rayons duleur, l’onde champ le simultanée manière de un groupement des électrons, qui diffusent cessusen avalanche se déclenche, menant à de plus en pluspluscourtesende impulsionsDes lasers par la relation relation la par donnée est technique cette par produites durée La [9]. est jeu grand en modes de nombre le que tes plus cour- d’autant impulsions des former et constructivement peuvent interférer ils phase, même la ont laser cavité une dans présents de longitudinaux modes lorsque nombreux effet, En (fs). femtoseconde le régime et atteindre d’impulsion la durée en modes diminuer pour 7) de p. (voir glossaire, phase verrouillage le d’utiliser dopé laser puis 23, p. voir – longtemps. larges (colorants spectres à très lasers des depuis L’avènement accessible (ou est déclenché nanoseconde régime laser le »), Q-switched « du technique la à Grâce produites. impulsions la des durée à proportionnelle inversement façon de a augmenté lasers de tels d’applications le nombre et fécond, extrêmement révélé s’est de fonctionnement ce régime Depuis, un large domaine de de domaine large un dans rayonner de capables titane-saphir, Avec lasers des d’Heisenberg. d’incertitude relation la spectro-temporel domaine le chimiques, comme le ferait un appareil appareil un ferait le comme chimiques, réactions de cours au atomes des ments mouve- les d’étudier encore ou linéaire, non l’optique toute de champ le ouvrant colossales, crêtes puissances des produire domaine le visible. dans accessibles courtes plus champ du période : on atteint électrique d’une plus à peine à correspond qui ce fs, 4 de moins de est laser impulsion une pour de record brièveté Le premier laser était impulsionnel. impulsionnel. était laser premier Le Avec de tels lasers, Avec il est de déjà possible de lasers, tels type au titane – voir p. 22) a permis permis a 22) p. voir – titane au s de laser à rayons X reste encore encore reste X rayons à laser de rat n aseu ae de » «laser faisceau un créant Δν . Δ t ≥ 1/4 donc là les durées les Δ fréquences t π , qui traduit dans des impulsions impulsions des saphir saphir s Δν le ,

ovle t frn ds rmse tou- demain. pour grandes promesses plus jours des offrant et nouvelle faire voiela à physique une ouvrant de lui, parler à continuera laser le Déjà omniprésent, couvert… spectre le étendre à ou impulsions des durée la encore réduire à visent travaux ; leurs puissants plus petits, plus toujours demain, de lasers les ginent ima- chercheurs Les laboratoires. les dans entière à part recherche de objet un encore restent lasers les Pourtant, économique. des citoyens quotidienne et le dans monde eu, a Elle savoir. rapidement, du champ le élargi secrets… leurs révéler sont de l’ordre de 80 attosecondes attosecondes 80 de 10 (80 l’ordre de sont que l’onproduire courts peut actuellement domaine le ﬂ plus Les les lumière [8]. de dans X-UV ashes plaçant se en est », oui « réponse la années, quelques Depuis à l’observation. à restent ce jour inaccessibles et sub-fs de temps à échelles des déroulent processus se qui des atomes, des cœur au électroniques dynamique la exemple, par d’étudier permettrait, Cela ? court plus faire peut-on : est alors pose se qui question La 1999). en Zewail d’Ahmed la Nobel le par prix de couronné femtochimie, champ le (c’est ultrarapide photo .AyKen «Msrs bous e fréquences de absolues Mesures « • 9 Amy-Klein, A. • 5 • 4 • 3 », lasers des médicales Applications « • 2 Mordon, S. • 1 Aubourg P. Références • 8 Ruchon T. • 7 par thermonucléaire fusion La « • 6 Decroisette, M. Reﬂ ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 La découverte du laser, il y a 50 ans, a ans, 50 a y il laser, du découverte La n° », industriel outil laser, et Le « Laude, L. Wautelet M. ; 83 p. numéro, ce dans », lasers plasma », plasma Malka V. 46. p. numéro, ce dans », horloges et optiques réseaux : froids Atomes « Lemonde, P. et Leduc M. 2010), p. 48. p. 2010), pius vc n ae fmoeod , as ce 42. p. dans numéro, », femtoseconde laser un avec optiques 30. p. numéro, ce dans », ultraviolet l’extrême dans 65. p. numéro, ce dans www.extreme-light-infrastructure.eu/ : ELI sur plus savoir en Pour 35. p. numéro, ce dans », laser physique des lasers ? », dans ce numéro, p. 26. p. numéro, ce dans », ? lasers des physique Abram I. (septembre 1985). (septembre 169 - 18 - s) : bientôt les électrons devront devront : s) bientôt les électrons , « Les nanolasers : vers une nouvelle une vers : nanolasers Les « al., et et et n° Recherche, La de dossiers Les des conséquences sur la vie vie la sur conséquences des et , « Un faisceau de rêve à portée de portée à rêve de faisceau Un « al., al., Sources « cohérentes de laboratoire «Apiain idsrels des industrielles Applications « al., La Recherche, La ❚ 38 (février

21 Histoire et principe des lasers Quatre types de lasers ❶ Les lasers à solides Dans les lasers à solides, on utilise en général des cristaux dopés comme milieu amplificateur. Les ions utilisés comme dopants sont les éléments actifs produisant l’effet laser, la matrice cristalline servant essentiellement à les accueillir (et à légèrement influer sur la longueur d’onde d’émission ou les propriétés thermiques de l’ensemble). La densité d’ions actifs dans un cristal est bien supérieure à celle des milieux gazeux, et on peut ainsi obtenir des gains importants sur de petits volumes. Les cristaux dans les lasers prennent en général la forme d’une tige ou d’un cube de dimensions millimétriques. La cavité optique est formée autour du cristal, soit en recouvrant deux faces opposées du cristal par des miroirs diélectriques, soit en le plaçant entre deux miroirs indépendants. Dans tous les cas, le laser obtenu est compact et robuste. Les cristaux utilisés ne sont autres que des pierres semi-précieuses affectionnées en joaillerie : du rubis, du saphir, du grenat… Comme on l’a dit plus haut, ce n’est pas le cristal qui rayonne, mais les ions métalliques que l’on inclut dans la matrice cristalline. Les ions utilisés sont issus soit des métaux de transition (chrome ou titane, par exemple), soit des terres rares (comme le néodyme ou l’ytterbium). La plupart de ces ions émettent dans l’infrarouge proche : on peut néanmoins assez facilement obtenir un rayonnement visible par doublement de fréquence, en plaçant un cristal non linéaire dans la cavité ou en sortie du laser. L’efficacité de conversion peut être excellente avec des lasers impulsionnels intenses. Un cas particulier mérite une place à part : en insérant des ions de titane dans une matrice de saphir, on obtient un laser capable de rayonner depuis le rouge (vers une longueur d’onde de 700 nm) jusque dans l’infrarouge (à Cristal d’oxyapatite dopé à l’ytterbium 3 + une longueur d’onde supérieure à 1000 nm), au choix. Ce sont ces lasers « saphir-titane » qui sont aujourd’hui (Yb :SrY4(SiO4)3O), utilisé comme milieu ampli- utilisés pour créer des flashes de lumière ultra-brefs et ultra-intenses : le principe du verrouillage de modes en fi cateur solide dans un laser. © IOGS – F. Druon phase (voir glossaire, p. 7), qui donne naissance à ces impulsions ultra-brèves, implique en effet que la durée minimale des impulsions obtenues est inversement proportionnelle à la largeur spectrale du milieu à gain. Les cristaux ne sont pas les seules matrices permettant d’accueillir des ions actifs : on peut aussi utiliser des fibres optiques (donc de la silice). Dans ce cas, la très grande longueur du milieu amplificateur permet de gérer efficacement l’échauffement produit par la pompe et donc d’obtenir des lasers de très haute puissance, tout en conservant la qualité du mode spatial du faisceau (ce dernier ayant tendance à se détériorer fortement en présence, par exemple, de gradients de température dans le milieu amplificateur).

❷ Les lasers à gaz

Le milieu amplificateur est ici constitué d’un gaz Coupleur Miroir parfaitement de sortie Tube contenant un mélange réfléchissant ou d’un mélange de gaz, en général contenu dans un (R = 99,7 %) He (15 %)-Ne (85 %) (R = 100 %) à la tube en verre ou en quartz. Lorsqu’on envoie une longueur d'onde du laser décharge électrique dans le gaz, on excite directement Faisceau ou indirectement (c’est-à-dire suite à des collisions) les laser atomes, créant ainsi une inversion de population. Pour HT Fenêtres orientées à l'angle former un laser, le tube enfermant le mélange gazeux est Alimentation électrique de Brewster pour polariser (haute tension) l'émission laser placé dans une cavité optique, constituée usuellement CGC#LG(*&:EIJJ%=fi^\k

© CGC#LG(*&:EIJJ%=fi^\k de deux miroirs se faisant face. Le gain optique dans Collisions entre le milieu gazeux étant faible, les pertes se doivent de He et Ne l’être aussi : les miroirs utilisés sont généralement très Niveaux Émission laser réfléchissants (plus de 99,9 % de réflexion). 632,8 nm excités Les différents gaz employés permettent de couvrir 1,15 μm une vaste plage de longueurs d’onde. Les plus courants sont l’argon ionisé (émission dans le bleu – 488 nm – Excitation et le vert – 514 nm), les mélanges d’hélium et de néon électrique Transition (rouge – 633 nm – essentiellement), le CO2 (un des non radiative lasers « les plus infrarouges », avec une longueur d’onde Niveau fondamental autour de 10 µm), ou encore les « exciplexes » formés

CGC#LG(*&:EIJJ%=fi^\k d’un mélange de gaz rare et d’halogène (comme le © Hélium Néon © CGC#LG(*&:EIJJ%=fi^\k xénon et le chlore, ou bien le krypton et le fluor), qui émettent quant à eux dans le domaine ultraviolet. Un exemple typique de laser à gaz : le laser hélium-néon. À gauche : schéma d’un laser à hélium-néon Chacun de ces lasers à gaz présente des caractéristiques différentes en termes de puissance (du mW des He-Ne (en haut) et des niveaux d’énergie (en bas). L’hélium est utilisé comme gaz tampon. Une alimentation électrique rouges d’alignement, utilisés en travaux pratiques, aux kW cède de l’énergie aux atomes d’hélium, qui transfèrent par collision cette énergie aux atomes de néon. Ceux-ci des lasers CO2, permettant la découpe des métaux), de émettent alors des raies laser de longueur d’onde 633 nm. À droite : photos du laser He-Ne, émettant un régime de fonctionnement ou de qualité de faisceau, par faisceau rectiligne de lumière rouge (en bas, le laser est « ouvert » pour que l’on puisse observer la exemple. Ils partagent néanmoins une très grande pureté ﬂ uorescence). © LPL, UP13 / CNRS S. Forget. spectrale (les raies d’émission atomiques sont très fines).

22 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 obtenir un fonctionnement durable en déplaçant régulièrement le milieu à gain, ce qui permet exemple, permet qui (par ce gain, pompage à de zone la milieu le de rapidement régulièrement molécules les déplaçant en d’évacuer durable néanmoins peut On fonctionnement un prise). n’est obtenir spécifique précaution aucune si fonctionnement de (quelques heures courte vie de durée une donc possède laser le exemple), par polymère de matrice une dans emprisonné (colorant solide milieu un avec: lumineuse excitation sous rapidement par la cavité laser,différentes par exemple que en utilisant unfait réseau de diffractionqui comme miroir. ce niveaux, ces de couleurs sont susceptibles La émises. longueur d’être d’ondelesquels est ensuite d’émission sélectionnée n’importe entre autres. lieu des uns avoir les proches peut très laser L’effet molécules), des rotation-vibration (corres- de états d’énergie différents niveaux aux nombreux pondant très de possèdent liquide un dans colorant de complexes ROUILLARD Y., VICET A. (IES, Montpellier). (IES, A. VICET Y., ROUILLARD (b) Laser de type VCSEL à émission par la surface. la par émission à VCSEL type de Laser (b) ❹ amplifi milieu le exciter pour nécessaire courant le d’apporter fi permettent sont cateur. jaune actives en optiquement métalliques régions couches Les les ; rouge en gurées tranche. la par émission à ruban type de Laser (a) ❸ circulation si le colorant est dans un milieu liquide). plusieurs d’émettre pouvoir le effet, en Mais a, molécule souhaitée… longueurs Chaque couleur la là. avoir pas n’est pour molécule intéressant bonne plus la le choisir de suffit il : donnée couleur de d’abord, il existe une quantité énorme de molécules colorantes émettant chacune dans une plage d’accordabilitéplageleur succès,delaser, afait large quien longueur leur estd’onde. très Tout optique. d’être donc doit se correctement pompage le et conduire de électrique, courant incapables le bien les sont : l’alcool affaire dans autre diluées une c’est colorant de l’excitation, molécules Pour miroirs. deux de formée optique, dans cavité verre de une cuve la ensuite place et On verre colorants. de de cuve organiques une molécules dans des contient qui enferme l’on que solution d’une composé est Il liquide. photo) deux miroirs plans, usuellement des miroirs de Bragg. Ces derniers, formés d’un empilement périodique adéquat de couches semi-conductrices d’indices d’indices semi-conductrices couches de adéquat périodique empilement d’un formés VCSEL, acronyme de anglais Verticalderniers, Cavity Surface Emission Ces Laser, fig. b). Bragg. (ou surface la paretémission cavité àverticale de lasers des formelumière.alors Onla pourréfléchir processusinterférentielsdes utilisent différents, miroirs réfraction des usuellement par actif plans, le milieu à entourer consiste approche Une autre a). miroirs (fig. deux rubans lasers des ainsi forme On rajouter de importants). inutile assez est il réflexion de lasers, coefficients des diodes produit les d’indice dans Souvent cavité. une utiliser et fort) plus pomper de suffit des(il miroirs pour réaliser cette population inversion de : on utilise simplement l’inversion les faces atteindre opposées faut du il cristalsemi-conducteur, laser, àeffet l’interface entreun le cristalet l’air (le fort contraste trois de l’empilement par obtenues les électronssont et les trous, et enquantiques formant des zonespuits actives de dimensions encoretypes réduites. »véritable« entonnoir un en pour d’accroître créant structures le notamment gain, permettent deconduction et de les debande trous la valence. hétérostructures Ces Les quantiques. puits des grand de couches général deux en couches, hétérostructures, des à une à mais pas non recourir p-n, à consiste jonction population de l’inversion obtenir pour stratégie autre Une possible. donc est radiative recombinaison la : centrale la zone dans endroit même au trous des et électrons des avecretrouve se on ;d’espace charge de zone la dans valence diffusion de de trous de courant etconduction d’un de l’apparition d’électrons permettant diffusion, de barrière la donc et interne champ le abaisse on tension, une appliquant En population. de l’inversion d’atteindre permettant intense, très thermodynamique d’espacedéséquilibre un zonecharge dela ondans peut créer fait, deet, cristal du partie petite très cette dans concentre se jonction la Toute sur appliquée résistive. tension très doncet mobiles, charges de porteurs de vide réduites, dimensions d’espace de par charge dezone obtenu, une crée se jonctionêtre la depeut niveau Au d’électrons). excèsthermodynamique : ncôté / d’électrons déséquilibre défaut : pCe (côté p-n jonctions population. des deexemple, dans l’inversion obtenir pour conduction de bande la dans d’électrons suffisamment provient lumière de L’émission d’hétérostructures. ou de optiques entre la des bande niveaux dejonctions conductionusuellement de et de transitions la des bande niveaux de faut de valence.laser,amener un il Pour réaliser forme sous général en GaAs…), (InP, semi-conducteurs matériaux des amplificateur ~ 500μm Les molécules organiques utilisées dans les lasers à colorants ont tendance à se dégrader dégrader se à tendance ont colorants à lasers les dans utilisées organiques molécules Les Les Les lasers à colorants émettent principalement dans le visible. Le principal avantage de ce type voir toujours, pas (mais souvent est amplificateur milieu le colorants, à lasers les Dans Un tel milieu à gain émet facilement de la lumière lorsqu’on le pompe avec un courant électrique : on obtient alors une diode électroluminescente. Pour observer milieu comme utilisent particuliers bien dispositifs monde. Ces le dans vendusplus les lasers les !) loin de (et aujourd’hui représentent lasers diodes Les ~ 1μm d’onde : cela vient du fait que, contrairement aux atomes des lasers à gaz, les molécules les gaz, à lasers des atomes aux contrairement que, fait du vient cela : d’onde Les lasers à semi-conducteurs ou « diodes lasers » lasers diodes « ou semi-conducteurs à lasers Les Les lasers à colorants à lasers Les gap de chaque côté d’une couche de bande interdite plus faible. Ceci crée un puits de potentiel, à la fois pour les électrons électrons les pourfois la àpotentiel, de puits un crée Ceci faible.plus d’unechaquecôtécoucheinterdite de bande de a schéma simplifiélectronique schéma microscopie : par gauche prise À coupe, en photo : droite À é. photo d’une face prise par microscopie électronique microscopie par simplifiprise schéma face : gauche d’une À photo : droite À é. 2 μm 2 μm

via

l’utilisation d’une l’utilisation ~ 500μm ~ 1μm

la rhodamine. la une de avec par dopé polymère, produit de micrométrique laser d’épaisseur couche faisceau le rouge, en et, pompe, de laser le vert, En solide. colorant à pulsé laser de Exemple Reﬂ ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 LPL, S. Forget S. LPL, © b © CNRS-LPN, Marcoussis. CNRS-LPN, © CNRS Photothèque / GRECH P., COT D., COT P., GRECH / Photothèque CNRS 2 μm 2 μm de de

23 Histoire et principe des lasers Cette deuxième partie regroupe quelques-uns des champs de recherche où les caractéristiques des lasers sont poussées à l’extrême. Ceci peut être en termes de taille du système (propriétés quantiques surprenantes des lasers de taille nanométrique, décrites par Izo Abram, Alexios Beveratos et Isabelle Robert-Philip), de longueur d’onde (lasers EUV et X décrits par Thierry Ruchon, Pascal Salières, Philippe Zeitoun et Stéphane Sebban) ou d’énergie par impulsion (article de Michel Decroisette sur la fusion par confinement inertiel).

Vue générale de la salle d’expérience et de la chambre d’interaction « Milka » de l’installation LULI2000, à l’intérieur de laquelle sont focalisés des faisceaux laser de puissance. Cette installation et les équipements expérimentaux associés sont utilisés par de nombreuses équipes scientifiques. Leurs études portent sur la fusion inertielle laser, la matière à haute densité d’énergie, l’astrophysique de laboratoire, la géophysique interne, la physique et le traitement des matériaux et, de façon générale, la physique des plasmas créés par laser et ses applications. (Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses, École polytechnique, Palaiseau.) © CNRS Photothèque / Kaksonen.  Les lasers de l’extrême Les nanolasers Vers une nouvelle physique des lasers ?

Izo Abram, Alexios Beveratos et Isabelle Robert-Philip ([email protected]) CNRS, Laboratoire de photonique et de nanostructures (UPR 20), 91460 Marcoussis

Lorsque les dimensions des Dans son discours lors de la rencontre exploitant les avancées technologiques de lasers deviennent submicro- annuelle de l’American Physical Society la micro et de la nano-électronique, qui en 1959, Richard Feynman annonçait permettent de réduire simultanément les niques, la physique qui “There is plenty of room at the bottom”, dimensions des deux composants essentiels gouverne leur fonctionnement présageant que la réduction en taille des du laser : le milieu amplifi cateur et la cavité objets ferait émerger de nouvelles propriétés optique. Pour le milieu amplifi cateur, on est modifi ée : les effets et de nouveaux concepts. La miniaturisation a recours à des matériaux semi-conduc- quantiques sont alors des composants et l’émergence des nano- teurs micro ou nanostructurés (jonctions p-n, sciences, quarante ans plus tard, ont donné multipuits quantiques, boîtes quantiques…), prépondérants et le rôle joué raison à Feynman et à sa phrase vision- alors que pour la cavité optique, on peut naire ; en effet, les lois du monde macro- fabriquer des cavités en forme de piliers par l’émission spontanée scopique, basées sur la thermodynamique (ou « micropiliers »), des « microdisques à devient très important, et les moyennes de très grands nombres modes de galerie » ou des « cavités à cristaux de particules, ne sont plus valables à l’échelle photoniques » (fi g. 1). Ces cavités sont non seulement au passage du nanomètre où l’on est très sensible au des structures où le confi nement de la du seuil, mais aussi en régime comportement quantique des particules lumière se fait dans des volumes très individuelles. Cette inapplicabilité de la petits, de l’ordre d’une demi-longueur d’émission stimulée. limite thermodynamique et l’émergence d’onde au cube. Ce fort confi nement est Les progrès technologiques d’une nouvelle physique interviennent aussi obtenu grâce à une microstructuration, pour les très petits lasers, même si leur taille qui induit des interférences optiques. Les récents ont permis, est plutôt de l’ordre de quelques dizaines cavités optiques ainsi réalisées sont de ces dernières années, à quelques centaines de nanomètres. toute petite taille, de quelques centaines C’est un panorama de l’état de l’art sur de nanomètres pour la lumière visible. de fabriquer de telles sources ces lasers d’un type nouveau, devenus depuis On parle alors de « microcavités ». En de lumière laser et de peu une réalité, que nous vous présentons insérant un milieu amplifi cateur (essen- ici. Il devient aujourd’hui possible de tiellement des boîtes ou puits quantiques commencer à explorer commencer à explorer expérimentalement semi-conducteurs) dans ces microcavités, cette nouvelle physique. leurs spécifi cités, bien que les recherches plusieurs équipes ont pu construire des actuelles posent plus de questions sur leur lasers opérant aux échelles nanométriques : Dans cet article, fonctionnement qu’elles n’apportent de des lasers « micropiliers » à l’Université réponses. de Würzburg en Allemagne, des nanolasers nous présentons l’architecture à cristaux photoniques au Caltech, à de ces nouveaux lasers Une réalité expérimentale l’Université Stanford et à l’Université de Californie à Santa Barbara, à l’Institut des et illustrons, par l’exemple aujourd’hui nanosciences de Lyon ou bien au du passage du seuil, Des systèmes modèles de la physique Laboratoire de photonique et de nano- atomique ont déjà permis d’étudier les structures à Marcoussis, par exemple. Les la physique sous-jacente, principes de l’émission d’un seul atome dans dimensions de ces lasers sont essentiellement qui reste encore incomprise. une cavité optique, donnant naissance à limitées vers le bas à la moitié de la l’électrodynamique quantique en cavité. longueur d’onde optique, par le phénomène Un laser à un seul atome (dans une cavité de diffraction. macroscopique) a ainsi pu être réalisé. C’est dans le domaine des semi-conducteurs Plus récemment, il est devenu possible que la miniaturisation des lasers s’est de franchir la limite en taille imposée par poursuivie le plus massivement, en la diffraction. La cavité optique est alors >>>

26 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 de gallium de cavités balayage d’un ensemble de « constitue ment par fiune dans (comme verticale- guidage et optique), bre de effet par latéralement cavité, confi la est dans née lumière en La vus transmission. en piliers, électronique microscopie trois de grossissement un présente L’encart substrat. unsur épitaxiés diamètre, de hauteur de et de centaines de nanomètres quelques : bas En interférentiels. effets par d’onde longueurs certaines à miroir comme agit qui bidimensionnel, photonique cristal un forme cavité la de autour nanomètres) de dizaines quelques l’arrangement CNRS-LPN (UPR 20). 20). (UPR CNRS-LPN  180 de ﬂune par (indiquée suspendue d’une membrane èche), trous de percée non zone la dans centre, au située est laser cavité La photonique. cristal à microcavité d’une : haut En diffraction la par 1.Deux exemples de lasers de dimensions limitées • : plasmons à lasers les sur articles premiers des Un • : photoniques cristaux à nanolasers les sur articles premiers des Un Pour en savoir plus savoir en Pour

length scale”, length Oulton R.F. 127404. Lasers”, Crystal Photonic Strauf S. optiques de différents diamètres, en arséniure arséniure en diamètres, différents de optiques

m ’pisu, n réir d gallium de arséniure en d’épaisseur, nm à droite, à une source laser. source une vue par microscopie électronique à balayage balayage à électronique microscopie par vue la présence de miroirs de Bragg. Chaque pilier et arséniure de gallium-aluminium, de 7 de gallium-aluminium, de arséniure et “efTnd unu Dt an in Gain Dot Quantum “Self-Tuned al., et périodique de trous (d’un diamètre de de diamètre (d’un trous de périodique , “Plasmon lasers at deep subwave- deep at lasers “Plasmon al., et Nature vue par microscopie électronique à électronique microscopie par vue . (2009) 629-631. (2009) 461

hs Rv Lett. Rev. Phys. micropiliers

» formant des (2006) 96 de gauche de

µm

;

1 μ m Reﬂ ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 0,5 0,5 μ m

27 Les lasers de l’extrême >>> remplacée par des « plasmons de surface », silice incorporant des molécules organiques conséquence. Cette densité d’états peut qui apparaissent à l’interface entre un de colorant. Dans ces lasers de taille être réduite par rapport à celle de l’espace métal et un diélectrique. Physiquement, ultime, un faisceau lumineux vient éclairer libre : on a alors un ralentissement du les plasmons de surface correspondent à les billes, entraînant la création de plasmons processus d’émission spontanée ; ou bien une onde électromagnétique couplée au à la surface de la bille. Ces plasmons sont elle peut être exaltée, ce qui peut induire gaz d’électrons du métal, induite par l’os- amplifi és via un processus de transfert une accélération de ce processus (effet cillation de la densité de charge dans la énergétique utilisant le colorant organique, Purcell). Dans le cas des nanolasers, on direction du plan de l’interface. Cette et se convertissent ensuite spontanément observe une accélération importante et onde décroît exponentiellement dans la en photons. une redistribution spatiale de l’émission direction perpendiculaire à l’interface et se spontanée : celle-ci est principalement propage le long de celle-ci. Les plasmons Une nouvelle physique présente dans le mode où cette accéléra- de surface se caractérisent de fait par un très à inventer tion est la plus importante, mode dans fort confi nement et donc une exaltation lequel l’émission stimulée aura également signifi cative du champ à l’interface entre Si les lasers opérant aux échelles nano- lieu. On voit dès lors que l’émission le métal et le diélectrique, et ce, sur des métriques sont aujourd’hui une réalité spontanée peut représenter une fraction distances très petites devant la longueur expérimentale, la physique qui les gouverne importante de l’intensité lumineuse dans d’onde optique, notamment aux basses reste cependant encore mal comprise. À le mode « utile » du laser ; cette fraction longueurs d’onde. la différence des lasers conventionnels, les est usuellement notée β. Dans les lasers À titre d’exemple, des chercheurs de microcavités sont le siège d’un faible conventionnels, ce paramètre β est très l’Université de Berkeley ont utilisé comme nombre de modes optiques, et leur milieu faible, de l’ordre de 10- 5. En revanche, milieu amplifi cateur des nanopiliers de amplifi cateur ne comprend qu’un petit dans les nanolasers, il n’est plus du tout semi-conducteur, d’un diamètre de l’ordre nombre de dipôles émetteurs. Ceci affecte négligeable et atteint quelques 10 - 1. Ces de la centaine de nanomètres. Pour réaliser de manière importante le comportement deux effets étroitement liés (accélération un des premiers lasers recourant à des de ces sources et la nature de la lumière et redistribution de l’émission spontanée) plasmons de surface, ils ont déposé ces qu’elles délivrent. affecteront fortement le fonctionnement nanopiliers sur une surface plane en argent Une des spécifi cités de ces nouvelles de ces lasers. tapissée d’une fi ne couche de fl uorure de sources est la mise en jeu d’effets quanti- magnésium. Parallèlement, une équipe de ques de cavité. Dans une microcavité, la La physique des nanolasers est très dif- l’Université d’État de Norfolk, en Virginie, densité d’états électroniques vue par un férente de celle des lasers conventionnels, a construit un laser à plasmons de surface, émetteur est très différente de celle de au passage du seuil entre le régime en entourant des nanobilles d’or de 14 nm l’espace libre, ce qui implique que son d’émission spontanée et le régime d’émis- de diamètre par une mince enveloppe de émission spontanée sera modifi ée en sion stimulée.

Laser conventionnel

a Émission Laser conventionnel spontanée Émission 3. Fonction de corrélation de spontanée second ordre à retard nul g(2)(0) pour des lasers.

Intensité émise Émission Intensité émise (a) Laser conventionnel (courbe stimulée théorique).

Intensité émise Émission Intensité émise (b) Nanolaser (points : mesures sur 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,1 1 10 stimulée un nanolaser à cristal photonique Intensité normalisée d'excitation Intensité normalisée d'excitation sur membrane suspendue). 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,1 1 10 La puissance d’excitation est en Intensité normalisée d'excitation Intensité normalisée d'excitation échelle logarithmique. Dans les lasers conventionnels, la b Nanolaser à fort β fonction g(2)(0) est bien supérieure à 1 (plus exactement égale à 2) 2. Intensité émise par un laser en fonction de Nanolaser à fort β en dessous du seuil, puis chute à l’intensité d’excitation. (a) Cas d’un laser conven- la valeur de 1 au passage du tionnel (à gauche, en échelles linéaires, et, à droite, seuil. En revanche, dans les en échelles logarithmiques). (b) Cas d’un nanolaser (à nanolasers, la fonction g(2)(0) droite, en échelles logarithmiques ; points mesurés décroît progressivement, et non sur un nanolaser à cristaux photoniques sur mem- Intensité émise de façon abrupte, au passage du brane suspendue, représenté en haut de la fi gure 1). seuil ; d’autre part, elle tend vers, Dans le cas du nanolaser, l’intensité d’excitation est Intensité émise mais n’atteint pas 1, à la diffé- normalisée au point d’inﬂ exion de l’intensité émise. 0,1 1 10 Intensité normalisée d'excitation rence des lasers conventionnels. 0,1 1 10 Intensité normalisée d'excitation

28 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 g(2) (0) 1 2 0,1 Intensité normaliséed'excitation Laser conventionnel 1 10 et les photons sont distribués suivant une une suivant distribués sont photons les et stabilise se contre, l’intensité seuil, par du ;au-dessus phase de transition toute dans comme considérablement, mentent aug- fld’intensité les uctuations seuil, du passage Au fi et 3). gure encadré (voir 1 à supérieure nul retard à ordre second de devra corrélation de On fonction une doncmesurer thermique. statistique photons d’une de statistique une avec l’émission par dominée est vrée non la ». le Sous seuil, laser seuil « façon de défi nir de plus non pas permet ne émis photons des une puissance seuil. L’étude de la statistique défi de nir lors lasers, tels de dès dans impossible, devient Il stimulée. l’émission à correspondant relative fraction la de et émise de l’intensité progressive augmentation g(2) (0) g(2) (0) forts de par facteurs caractérisés lasers les dans brusque moins beaucoup est sortie de sance (fi laser le par 2a). g. émise l’intensité de par marquée alors est intensité, seuil puissance Cette forte l’emporte. de stimulée, l’émission d’excitation, seuil puissance d’une certaine au-delà revanche, En présente. est tionnelle, l’émission spontanée, de faible intensité et seule omnidirec d’excitation, puissance a cnr, ’umnain e a puis- la de l’augmentation contre, Par faible à conventionnels, lasers les Dans 1,0 1,2 1,4 1,6 b a 1 2 0,1 0,1 β (fi g. 2b) : on observe de pair une (fi pair de : on observe 2b) g. Intensité normaliséed'excitation Intensité normaliséed'excitation une augmentation abrupte abrupte augmentation une Laser conventionnel β Nanolaser àfort 1 1 ambiguë un un ambiguë lumière déli- lumière 10 spontanée, spontanée, proche -

100 10 qui atteint aujourd’hui expérimentalement aujourd’hui atteint qui directe, fré- modulation de maximale quence la d’augmenter permettre pourrait réduction Cette d’allumage. temps leur de rayonnement du on peut à s’attendre réduction une spontané, redistribution une et accélération une montrent ils où mesure la Dans inexplorés. largement aussi sont réponse… encore sans aujourd’hui est question Cette ? quantiques sont propriétés ses quelles cohérent, état un n’est pas les nanolasers par produit Si l’état 1). pas n’atteint mais vers, tend nul délai à ordre second de corrélation de fonction (la l’expérience l’indiquer semble comme », pas probablement « répondre on pourrait Intuitivement, ? cohérent état un il produit- nanolaser Par un exemple, tions. de nombre ques- un piques grand soulève aty- lasers ces dans émerge qui physique nouvelle la seuil, puissance une ambiguë (fi nanolasers 3b). g. les dans progressive toujours (fiest tionnels variation sa 3a), g. conven- lasers les dans seuil du passage au abrupte manière de chute fonction cette que alors à 1. Cependant, égale nul retard une à ordre second de corrélation de fonction alors mesurera caractérise on qui : cohérent l’état Poisson, de statistique La dynamique et le bruit de ces lasers lasers ces de bruit le et dynamique La diffila Outre à déficulté non de façon nir  n’en détecter qu’un : p : qu’un détecter n’en photons simultanémentestdeuxfoisplusimportantequelaprobabilité aucarréde que, et les photons arrivent par paquets. Dans ce cas, la probabilité d’observer deux chaoti- manière de fluctue l’intensité : d’intensité fluctuations fortes de thermique source une à s’apparente produit rayonnement le spontanée, d’émission régime En laser. source d’une d’intensité fluctuations les caractériser de notamment permet fonction Cette de sortie, et p et sortie, de d’autocorrélation de l’intensité à retard : nul g Pour connaître les fluctuations d’intensité de la lumière, on peut mesurer la fonction où p où fonction g fonction ex s éae l poaiié u ar d ne dtce q’n: p : qu’un détecter n’en de carré au probabilité la à simultanément égale détecter est deux d’en probabilité la et décorrélée, et indépendante ment de (ou bruit grenaille au conventionnelles sources les dans correspondent l’intensité de » nes photons Les émis sont distribués selon une statistique de poissonien- Poisson. Ces fluctuations « stable. est l’intensité cohérente, d’émission régime en revanche, En et on compte le nombre de photodétections simultanées de part et d’autre de la de lame. À très d’autre faible flux lumineux, la quantité g et part de simultanées photodétections de nombre le compte on et semi-réfléchissante, lame une par deux en séparée est analyser à lumière la : Twiss et Hanbury-Brown de interféromètre d’un moyen au généralement fait se fonction Mesurer les flles Mesurer lumière la de d’intensité uctuations 2 est la probabilité de détecter simultanément un photon sur chacun des ports des chacun sur photon un simultanément détecter de probabilité la est (2) (0) vaut 1. vaut (0) ). Dès lors, les photons sont détectés de manière complète- manière de détectés sont photons les lors, Dès noise). shot 1 la probabilité de détecter un seul photon sur un des ports de sortie. de ports des un sur photon seul un détecter de probabilité la g(2) (0) 1,0 1,2 1,4 1,6 0,1 2 > (p > Intensité normaliséed'excitation 1 ) 2 et g et β Nanolaser àfort 1 (2) (0) = 2. = (0)

des lasers. lasers. des physique la de nouveau pan un ouvrant que de réponses, plus de questions offre il réalité, une aujourd’hui est Si le nanolaser cavité. en quantique l’électrodynamique cian asso- y en lasers, des physique la revisiter signal tions applica- du des concevoir délivrent, propriétés qu’elles les le comprendre Expliquer ! sources, nouvelles ces de fonctionnement réinventer à physique submicroniques augmente. Prédiction théorique qu’il qu’il vérifià théorique encore l’expérience. reste par er Prédiction facteur augmente. le lorsque signifi cativement diminuer devraient fl d’intensité uctuations ces que indique théorie La temps. le dans délivré aux signal du relié fl est d’intensité second uctuations le que alors duite, pro- lumière la de fréquence la de et donc phase la de fl aux uctuations relié de est bruit premier Le un d’intensité. en bruit un et phase laser, signal tout dans comme décompose, se il sources, ces par délivré signal du bruit au Quant pompe. de puissance faible très à ce et en laser, régime microcavités les dans GHz 100 à 10 Conclusion Refl ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 entrée des lasers lasers des L’entrée (2) ntmet e cnet iss de issus concepts des notamment t de de suppose ceci Tout possibles… (0) = /

un exemple de de exemple un fournit 100 2 . La mesure de cette les échelles échelles les dans (2) 2 = (p = (0) = p = (0) 1 ) 2 2 e la et , /(p 1 ) 2 ,

29 Les lasers de l’extrême Sources cohérentes de laboratoire dans l’extrême ultraviolet Thierry Ruchon(1) ([email protected]), Pascal Salières(1), Philippe Zeitoun(2) et Stéphane Sebban(2) (1) Service de physique des atomes et des molécules, DSM/IRAMIS, CEA/Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex (2) Laboratoire d’optique appliquée, ENSTA, Chemin de la Hunière, 91761 Palaiseau Cedex

La génération d’harmoniques Les sources lumineuses émettant dans l’inverse, un rayonnement cohérent spectrale domaine extrême ultraviolet* (EUV) lement correspond potentiellement à des élevées dans les gaz, du spectre sont particulièrement recherchées impulsions ultra-brèves. découverte il y a 25 ans, pour plusieurs raisons, liées respectivement Cependant, lorsqu’on souhaite bénéfi - à la longueur d’onde, à l’énergie et à la cier d’une certaine cohérence dans ce constitue une source période des ondes et photons associés. domaine spectral, on est souvent réduit à de rayonnement XUV Premièrement, la limite de résolution fi ltrer des sources intenses, de type syn- théorique d’un microscope ou, récipro- chrotron, à la façon de ce qui se faisait aujourd’hui en plein quement, la limite de focalisation d’un dans le visible avant l’avènement des développement, en raison faisceau, est proportionnelle à la longueur lasers, ou à recourir aux lasers à électrons d’onde utilisée pour une ouverture libres, disponibles depuis peu. Le coût de notamment de ses propriétés numérique donnée : les courtes longueurs telles machines et le temps de faisceau de cohérence. d’onde sont donc proportionnellement disponible restreignent drastiquement les favorisées. durées d’accès des utilisateurs au faisceau. Dans cet article, après avoir Deuxièmement, les photons EUV ont De plus, de nombreuses expériences, des énergies* élevées (6 à 300 eV), compa- comme par exemple les techniques pompe- présenté le principe de ces rables à celles requises pour ioniser direc- sonde*, y sont très diffi ciles en raison de la * sources XUV, nous illustrons tement la matière diluée ou solide : une gigue temporelle importante du faisceau. spectroscopie extrêmement riche s’est La demande de solutions alternatives est les possibilités offertes par développée à partir de cette constatation donc élevée, et plusieurs approches basées leurs cohérences spatiale, comme, par exemple, la spectroscopie de sur l’interaction laser-matière sont à coïncidences et la spectroscopie Auger. l’étude en France [1]. temporelle et spectrale, Enfi n, c’est une zone du spectre très Elles utilisent différents processus, en détaillant des expériences étendue (≈ 300 eV), dans laquelle les basés soit sur la conversion de fréquence périodes des ondes électromagnétiques de lasers, soit sur l’émission de rayons X d’imagerie photonique sont courtes (12 à 700 attosecondes (as)) : de plasmas chauds produits par laser. nanométrique, d’imagerie ceci donne l’opportunité d’y synthétiser Dans cet article, nous nous focalisons sur des impulsions extrêmement brèves, plus les techniques à base de Génération électronique sub-nanométri- brèves que celles obtenues dans le domaine d’Harmoniques d’ordres Élevés (GHE) d’un que, d’amplifi cation XUV visible qui sont limitées à quelques femto- laser, qui se rangent dans la première secondes. catégorie. Nous présentons d’abord le et de synthèse d’impulsions Naturellement, toutes ces applications principe de la GHE, découverte il y a attosecondes. bénéfi cient, voire requièrent, une source 20 ans, qui constitue un outil aujourd’hui EUV cohérente (voir encadré 1). En mature pour les applications. Nous mon- effet, une source cohérente spatialement trons ensuite comment elle peut servir de gagne en focalisabilité et en éclaire- source primaire pour deux développements ment* ; une source cohérente temporellement importants : la fabrication d’impulsions Les termes suivis d’un astérisque sont correspond à une raie spectralement fi ne, EUV intenses et la synthèse d’impulsions expliqués dans le glossaire, p. 31. indispensable en spectroscopie ; enfi n, à EUV attosecondes. >>>

30 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927  CNRS Photothèque / CHEZIERE Alexis. CHEZIERE / Photothèque CNRS © multiples. d’ordres d’harmoniques génération la de cadre la dans utilisé (Palaiseau), appliquée d’optique Laboratoire du kilohertz femtoseconde Laser hm éetoantqe nr du isat dféet, t la l’espace. de points et deux entre corrélation la mesurant différents, instants deux entre électromagnétique champ le définit on analogue, façon De b). (fig. identiques sont spectrales phases les lorsque brèves d’impulsions série une mais a), (fig. aléatoires sont amplitude donne une valeur très faible pour tous les instants lorsque les phases spectrales même de et harmoniques sinusoïdales ondes nombreuses de somme la illustratif, titre À et (b) des phases identiques. phases des (b) et om dods iuodls e rqecs harmoniques fréquences de sinusoïdales d’ondes Somme . relation de Fourier de relation (cf. cohérente dite brèves impulsions des sera former pour interférer pourront elle composantes ses et spectralement déterminées, bien relations des spectrales phases ses et large très spectre un a source une Si déterminé. seuil un sous passe champs des corrélation la laquelle de au-delà spectrale gamme la comme cohérence de spectrale largeur une nir défi- donc peut En on et points, ces entre spectral l’écart avec décroît corrélation la général, associé. électromagnétique champ du spectrales composantes les entre corrélation La a Cohérences temporelle et spatiale et temporelle Cohérences d’une onde électromagnétique est déterminée par la fonction de fonction la par déterminée est électromagnétique onde d’une spectrale cohérence * ). n euat a orlto du corrélation la mesurant en cohérence de temps b ayant a ds hss aléatoires, phases des (a) en spatiale cohérence Encadré 1 Encadré Glossaire e agu à ihuer orsod une à durée. la sur as 100 de Fourier, de dite limite, correspond mi-hauteur à largeur de pluslarge possible. Ainsi, un spectre de 18 eV de utile rayonnementle despectre le phase donc en mettre est il brèves, impulsions des réaliser Pour plate. phase à gaussiens profils Δω. (Δ et (Δω) temporelle spectrale largeurs liant relation La Fourier de Relation temporelle. résolution la ainsi réduisant deux les entre faisceaux montre des fluctuations incontrôlées, retard le quand temporelle gigue de parle On processus. du temporelle l’évolution reconstruit on retards, pour différents régénéré milieu un dans l’expérience reproduisant En sonde. de dite impulsion une avec ultérieur instant un à système le sonder de pompe déterminant l’origine des temps, dite et à venir impulsion une avec phénomène un Une expérience pompe-sonde consiste à exciter temporelle gigue et Pompe-sonde eV. 300 à 6 de énergies des à et nm 200 à 4 tique correspondant à des longueurs d’onde de Zone du spectre de rayonnement électromagné- ultraviolet Extrême à période. Par exemple, E = 1,55 eV correspond de constante λ la est h où Planck, c la vitesse de la h/T, lumière dans le vide, = hc/λ = E photon d’un Énergie atome. d’un d’ionisation taux les calculer à 2 10 2 à laser. Par exemple, E = 10 champ d’un l’amplitude de mesure de Unité Éclairement Reﬂ ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 la longueur d’onde associée au photon et T sa = 800 nm et T = 2,7 fs. 2,7 = T et nm 800 = λ Δ t ≥ 4 ln2, avec l’égalité obtenue pour des des pour obtenue l’égalité avec ln2, 4 ≥ t 8 /m Cet a rner tl pour utile grandeur la C’est V/cm. ) ’n iplin ’ci : s’écrit impulsion d’une t)

14 W/cm 2 correspond

31 Les lasers de l’extrême >>> Génération d’électron-volts (eV). L’interaction avec le Ce type de source autorise de nom- d’harmoniques élevées cœur conduit, avec une effi cacité relati- breuses applications, comme, par exemple, vement faible, à une recombinaison les deux techniques d’imagerie très diffé- Actuellement, un dispositif de GHE est radiative : l’énergie cinétique acquise par rentes illustrées dans l’encadré 2. Celles-ci essentiellement constitué d’un laser pou- l’électron, qui couvre une large gamme exploitent respectivement la cohérence vant être focalisé à des éclairements de continue, est convertie en énergie de photon, spatiale de l’émission [5] et la cohérence l’ordre de quelques 1014 W/cm 2 dans un dont la fréquence se trouve dans l’EUV. relative des différentes composantes gaz rare – jet ou cellule d’argon par Ces trois étapes se répètent tous les spectrales [6]. Le transfert de cohérence exemple, à une pression de quelques demi-cycles optiques, tant que le champ du visible vers l’EUV ouvre ainsi de dizaines de millibars (mbar). Pour atteindre laser est suffi samment intense, c’est-à-dire nombreuses perspectives (holographie, de tels éclairements, il est nécessaire de pendant une fraction de la durée de l’im- interférométrie, tomographie moléculai- disposer d’un laser délivrant une grande pulsion infrarouge, déterminant ainsi la re…). Mais nous cherchons également quantité d’énergie en très peu de temps. durée totale de l’émission (quelques dans nos laboratoires à perfectionner ces Les lasers femtosecondes énergétiques et, dizaines de femtosecondes). Naturellement, sources en suivant deux autres lignes en particulier, les lasers à base de cristaux plus le champ est intense, plus l’électron directrices : augmenter les fl ux obtenus et de titane-saphir [2] émettant dans le proche gagne d’énergie cinétique et plus les pho- synchroniser les différentes composantes infrarouge, remplissent parfaitement ce tons émis ont une énergie élevée. spectrales, afi n d’obtenir des impulsions rôle. Ces éclairements correspondent à Cependant, tout repose sur le fait que attosecondes plutôt que femtosecondes. des potentiels électriques oscillant à la l’atome n’est que partiellement ionisé par fréquence laser, d’amplitudes comparables effet tunnel et qu’ainsi, la partie du paquet Rayonnement XUV intense au potentiel coulombien qui maintient d’ondes restée liée garde la « mémoire » l’électron au voisinage du noyau. de phase de l’onde électronique initiale L’augmentation de l’énergie d’une impul- À chaque demi-période du champ jusqu’à la recombinaison, rendant ainsi les sion harmonique est un défi scientifi que, laser, la barrière coulombienne du cœur émissions de cycles laser successifs cohérentes qui motive un effort important d’une par- atomique est donc fortement abaissée et entre elles. Il est donc indispensable que tie de la communauté travaillant sur les permet à la fonction d’onde électronique l’atome ne soit pas entièrement ionisé pour sources cohérentes dans la gamme EUV. de se séparer en deux parties (fi g. 1) : ne pas perdre la référence ; ceci limite Une des voies actuellement à l’étude l’une reste au voisinage du cœur atomique l’éclairement acceptable pour une espèce consiste à utiliser le faisceau harmonique et servira de référence de phase, l’autre donnée (à 2 × 1014 W/cm 2 pour l’argon, issu d’une source GHE comme premier est « ionisée » par effet tunnel et sort dans par exemple). Le spectre n’est donc pas étage d’un laser EUV de puissance (fi g. 2). le continuum d’énergie de l’atome. En indéfi niment extensible, mais une relation Il est ainsi injecté dans un plasma en première approximation, cette deuxième de phase existe entre ses différentes inversion de population, pour y être partie de la fonction d’onde se comporte composantes [3]. amplifi é par « effet laser ». Compte tenu alors classiquement : elle est d’abord accé- À l’instar du fonctionnement des lasers du fort gain de l’amplifi cateur plasma lérée loin du cœur par le champ laser, impulsionnels [4], la périodicité en temps (20 à 600), le faisceau harmonique extrait puis, sous certaines conditions initiales, du phénomène se traduit par l’apparition l’énergie après un seul passage, ce qui elle est ramenée au voisinage du cœur dans le spectre d’un peigne de fréquences, permet de s’affranchir de la mise en place avec une énergie cinétique importante, d’où le nom de génération d’harmoniques d’une cavité optique, diffi cile à réaliser pouvant atteindre plusieurs dizaines d’ordres élevés. dans cette gamme de longueurs d’onde. De plus, la polarisation est conservée et la cohérence spatiale du faisceau est légère- ment améliorée. L’écart-type de l’erreur de sphéricité du front d’onde atteint la valeur record de λ/17 à la longueur d’onde de 32 nm. Ceci est bien meilleur que la limite de diffraction [5] et permet d’anticiper la possibilité de focaliser ces Étape 3 : recombinaison radiative sources sur une dimension proche de leur longueur d’onde. L’énergie du faisceau est Étape 2 : excursion dans le continuum aujourd’hui de l’ordre du microjoule par tir, ce qui est remarquable dans cette gamme spectrale. Par ailleurs, tous les calculs montrent qu’il est possible d’extraire dans Étape 1 : ionisation tunnel un futur proche une énergie environ cent fois plus importante. Enfi n, il faut noter que 1. Modèle à trois étapes de la génération d’harmoniques d’ordres élevés. Les gaussiennes représentent la largeur spectrale de gain est déterminée des paquets d’ondes électroniques (en mauve, la fraction ionisée), les traits épais le potentiel total, somme du par la largeur étroite d’une transition potentiel coulombien atomique et du potentiel imposé par le laser. Tirets oranges : trajectoires des paquets atomique, bien plus faible que la gamme d’ondes libérés par effet tunnel. spectrale du rayonnement issu de la GHE,

32 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 = 10 = (Δλ/λ étroite général en gain, de bande cette de dehors en situées d’onde longueurs autres les pour absorbant reste mais le nm), dans 32,8 4p-4d à transition la nickéloïde (ici krypton population de inversion en transition la de d’onde amplifi longueur ainsi quelques la population devient à de plasma cateur inversion Ce d’une création. siège le sa soit après et picosecondes laser du passage le sur produite soit diamètre de microns de cinquantaine une sur long de cm 1 de plasma de colonne qu’une pour ajustées sont plasma du température la et densité La krypton. de remplie cellule une dans mJ) (500 femtoseconde laser faisceau d’un portion une 2. Schéma de principe de l’amplifi cation harmonique dans un plasma-laser en inversion de population. Un plasma d’ions multichargés est produit en focalisant (nm). nanomètres de 100 d’onde de la de dizaine longueurs gamme de autour faisceau de femto de taine pour cen- la de l’étude l’ordre de durées des à atteindre aujourd’hui sont natifs alter- schémas des ailleurs, Par faisceau. du temporelle cohérence la améliorer et EUV, libres afi de ces installations électrons n la taille de réduire à lasers aux posé trans- et reconnu aujourd’hui est succès Son plas- [6]. par laser créés EUV de mas lasers les d’une sur d’étude d’années l’aboutissement vingtaine est infrarouge, gamme la dans puissance de laser chaînes les dans utilisée fi couramment », cateur oscillateur-ampli- « architecture cette de picoseconde. la à gée faible allon- durée une sa voit et spectrale sur largeur que amplifi é n’est que harmoni- faisceau le environ conséquence, En isolée. et harmonique une ensemble pour meV 200 son d’électron- dans dizaines volts des couvre qui optiques (profi l, front d’onde, cohérence) du faisceau primaire sont conservées au cours de cette amplifi cette de (profi cours optiques au conservées sont primaire faisceau du cohérence) cation. d’onde, front l, amplifiaprès et avant rayonnement du spectres les comparant En cateur. bénéfi harmoniques des seule qu’une bien constate on cation, qualités Les plasma. du gain du cie amplifi milieu du celle à amplifi taille milieu sa du ajuster l’entrée à à veillant focalisé en et torique, - collecté miroir est d’un primaire l’aide faisceau à Ce cateur d’argon. remplie gaz de cellule une dans mJ) (10 femtoseconde laser du l’énergie de partie autre une focalisant en obtenu est EUV primaire harmonique faisceau un ailleurs, Par La transposition dans la gamme EUV EUV gamme la dans transposition La secondes avec une énergie énergie une avec secondes Laser IR500mJ,30fs Caméra CCD Laser EUV μ J, dans la la dans J, Filtre général à éliminer les contributions des des contributions les en éliminer à consiste général fi ltrage de étape première La l’autre. que courte plus l’une jeu, en entrent principales de trajectoires familles deux la pratique, Dans différents. instants des à identiques énergies des avec revenir ainsi et différentes trajectoires des suivre peuvent initiales, selon les conditions tunnel, effet par libérés électrons les que prévoit attosecondes. d’impulsions thèse syn- la à base de servir donc peut source le en de ce type fi spectre dispersif, un milieu par ltrant tel d’un composantes des phase en mise la Moyennant durée. la sur Rayonnementultra-brefEUV pond à une limite de Fourier de limite corres- une à pond source, telle une avec réaliser à aisé relativement à mi-hauteur, largeur de d’un 18 de eV spectre Or, un GHE. de composantes spectre différentes les triviale, entre non quoique déterminée, bien phase de relation une existe il chrotron, syn- type de rayonnement d’un férence Laser IR10mJ,30fs Le modèle à trois étapes de la GHE GHE la de étapes trois à modèle Le Comme mentionné ci-dessus, à la dif- la à ci-dessus, mentionné Comme Miroir defocalisation Amplificateur plasma (cellule dekrypton) Spectre aprèsamplification Miroir torique * 32,8 de 100 as as 100 de λ (nm)

Spectre avant amplification progrès récents dans la fabrication de de fabrication EUV, la devraient qui multicouches miroirs dans récents des progrès avantage tire laboratoires, l’étude nos à dans actuellement voie, deuxième La as. à 80 ce à jour, brèves savoir plus les les impulsions d’obtenir a qui permis celle fragiles. et outre c’estaujourd’hui, Mais la plus courante en sont qui disposition, à feuilles des dépendant matériaux des fl entièrement exible, peu miroirs est des soit technique première la ’épaisseur, Naturellement, multicouches. d nanomètres de centaines de quelques métalliques sont feuilles approches fi comme soit utilisant de ltre, Deux poursuivies, un opposé. imposer leur retard faut il phase plate, une spectrale d’obtenir et resynchroniser les Afi de n faibles. les avant émises sont les élevées pour harmoniques les courtes, trajectoires Ainsi, harmoniques. les entre groupe de retard un existe il trajectoires, de de chaque famille à l’intérieur ailleurs, Par l’essentiel. éliminer d’en fais- permet ceau le dans placé iris un Ainsi, associé. rayonnement du divergence la grande de plus profi tant en longues, trajectoires harmonique GHE Refl ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 (cellule d'argon) Source 32,8 focalisation Miroir de λ (nm) >>> – 5 – ). s

33 Les lasers de l’extrême >>> permettre de façonner à la demande le Imagerie par harmoniques élevées Encadré 2 rayonnement harmonique [7]. Imagerie par diffraction cohérente (IDC) Enﬁ n, le phénomène décrit par le modèle à trois étapes se répétant tous les Un objet de dimensions de l’ordre du micromètre est illuminé par le faisceau focalisé demi-cycles optiques, les impulsions atto- d’une harmonique élevée sélectionnée. Une caméra de grande ouverture numérique enregistre la figure de diffraction de l’objet en champ lointain, c’est-à-dire le module de sa secondes ainsi générées arrivent sous transformée de Fourier. Un algorithme de reconstruction itératif permet alors de retrouver forme de trains d’impulsions. Par exemple, la phase et l’amplitude de l’objet qui y sont encodées. Des résolutions jusqu’à 78 nm ont une impulsion de génération de 10 fs été atteintes avec une harmonique EUV de longueur d’onde 32 nm. Cette technique, qui donne environ 4-5 impulsions successives. repose sur l’analyse des interférences des différentes ondes diffractées par les différentes Il est cependant possible, par des techniques portions de l’objet, requiert une onde spatialement cohérente et est facilitée par un front de fenêtrage, de réduire ce train à une ou d’onde plan ou sphérique, tel que celui des harmoniques. quelques impulsions. De cette façon, des impulsions attoseconde uniques ont pu être synthétisées, en partant d’un laser de 10 fs [7]. 3 μm Conclusion Nous avons effectué un tour d’horizon des progrès récents sur les sources EUV De gauche à droite4 : image d’un échantillon prise au microscope électronique ; fi gure de diffraction correspondante cohérentes produites par laser. Celles-ci obtenue en un seul– 0,6tir laser0 0,6 EUV et montrant notamment– 0,05 0 0,05 des effets d’interférences– 0,15 ; reconstruction0 0,15 de l’objet [5]. deviennent aujourd’hui plus intenses, plus 2 brèves, permettant ainsi non seulement Tomographie5 Å 0 d’orbitales moléculaires y (a.u.) de revisiter les expériences faites dans La dernière– 2 étape du processus de GHE, la recombinaison radiative, met en jeu un cette gamme de longueurs d’onde avec des moment de transition dipolaire électrique. Ce n’est rien d’autre que le produit intégré sources incohérentes de type synchrotron, d’une onde– électronique4 du continuum (onde plane en première approximation) et de l’orbitale d’où est sortie l’onde électronique. Ceci correspond à la transformée de Fourier mais aussi d’ouvrir de nouveaux champs – 4 – 2 0 2 4 – 4 – 2 0 2 4 – 4 – 2 0 2 4 de recherche. En particulier, la possibilité de l’orbitale initiale, quix (a.u.) se trouve ainsi encodéex (a.u.) dans le rayonnementx émis. (a.u.) Moyennant de schémas pompe-sonde s’annonce des calibrations, en mesurant ce rayonnement, on trouve, par transformée de Fourier inverse, une image de l’orbitale rayonnante. Une résolution spatiale de l’ordre de l’ångström prometteuse. Si ces sources sont disponibles et une résolution temporelle attoseconde sont obtenues. La résolution est ici bien plus aujourd’hui, elles font cependant l’objet faible3 μm que la longueur d’onde optique du photon émis. La raison en est que c’est l’onde d’études encore nombreuses, qui pour- électronique issue de l’effet tunnel qui sonde la molécule, et que cette onde a précisément raient se révéler décisives pour leur diffu- une longueur d’onde de l’ordre de l’ångström. Il faut noter que cette technique repose sur sion. De nombreux travaux sont en cours la mesure des amplitudes et phases relatives des harmoniques émises, soit, en définitive, visant, par exemple (i) leur miniaturisation sur leur cohérence spectrale mutuelle.

via l’utilisation de nanostructures plasmo- 4 niques exaltant le champ, (ii) l’augmentation – 0,6 0 0,6 – 0,05 0 0,05 – 0,15 0 0,15 de leur cadence via l’utilisation de lasers 2

ﬁ brés, ou (iii) l’augmentation de leur 5 Å 0

éclairement en recourant à de la GHE sur y (a.u.) cible solide… Ces travaux promettent des – 2 sources d’une grande variété d’ici quelques – 4 années, et permettront d’élargir le champ – 4 – 2 0 2 4 – 4 – 2 0 2 4 – 4 – 2 0 2 4 de leurs applications. ❚ x (a.u.) x (a.u.) x (a.u.)

De gauche à droite : projection sur un plan de l’orbitale la plus haute occupée de la molécule d’azote N2, calculée selon la méthode de Hartree-Fock ; reconstruction, obtenue par tomographie, de l’orbitale molé- culaire ; et calcul Hartree-Fock prenant en compte une résolution limitée, identique au cas expérimental. L’accord entre ces deux dernières fi gures est excellent [6]. Références 1 • Sites internet des laboratoires suivants : LOA, LULI et 4 • A. Amy-Klein, « Mesures absolues de fréquences optiques 7 • J.-Ph Goddet et al., “Aberration-free laser beam in the IOTA à Palaiseau, LPGP et ISMO à Orsay, IRAMIS/ avec un laser femtoseconde », dans ce numéro, p. 42. soft x-ray range”, Optics Letters, 34 (2008) 2438. SPAM/Attophysique au CEA-Saclay, CELIA à Bordeaux. 5 • A. Ravasio et al., “Single-Shot Diffractive Imaging with 8 • P. Zeitoun et al., “A high-intensity highly coherent 2 • S. Forget et al., « Les différents lasers : un tour a Table-Top Femtosecond Soft X-Ray Laser-Harmonics soft X-ray femtosecond laser seeded by a high har- d’horizon », dans ce numéro, p. 18. Source”, Phys. Rev. Lett., 103 (2009) 028104. monic beam”, Nature, 431 (2004) 426. 3 • P. Salières et M. Lewenstein, “Generation of ultra- 6 • S. Haessler et al., “Attosecond imaging of molecular 9 • “Focus on attosecond physics”, Numéro spécial du short coherent XUV pulses by harmonic conversion of electronic wavepackets”, Nature Physics, 6 (2010) 200-206. New Journal of Physics (accès libre), 10 (2008). intense laser pulses in gases: towards attosecond pulses”, Meas. Sci. Technol., 12 (2001) 1818-1827.

34 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 La fusion thermonucléaire par laser

Michel Decroisette ([email protected])

Conseiller scientifi que au CEA-DAM  Les lasers de l’extrême

La fusion par confi nement Les réactions nucléaires permettent de collision et forment un noyau plus lourd, inertiel est une des deux dégager de grandes quantités d’énergie, si mais de masse inférieure à la somme des l’on choisit bien les noyaux atomiques masses initiales ; ce défaut de masse se voies vers la fusion contrôlée ; impliqués. retrouve dans l’énergie cinétique des l’article en rappelle les On peut casser de gros noyaux, cela produits de la réaction (voir encadré). s’appelle la fi s s i o n : c’est le processus par La fusion nucléaire est toutefois plus principes. La démonstration lequel un noyau lourd et instable, comme diffi cile à réaliser que la fi ssion, car il faut de la combustion l’uranium 235 ou le plutonium 239, se porter la matière à très haute température brise en deux noyaux plus légers et plus (plusieurs dizaines de millions de degrés) d’un mélange de deutérium stables. La masse totale des produits de où elle est à l’état de plasma (mélange et de tritium (DT) fi ssion étant inférieure à la masse originelle, d’ions et d’électrons). Ces conditions se cette réaction nucléaire s’accompagne rencontrent dans les étoiles. en laboratoire, mettant d’un dégagement d’énergie important, Les attraits de la fusion nucléaire selon la célèbre formule d’Albert Einstein : comme source d’énergie civile sont en œuvre des lasers 2 ΔEc = Δm.c (où ΔEc désigne l’augmen- incontestables : elle ne produit pas de de puissance, est attendue tation d’énergie cinétique des particules, pollution ni de rejet de gaz à effet de m la perte de masse, et c la célérité de la serre, et elle présente un faible impact dans la décennie, grâce à Δ lumière). environnemental en raison de l’absence deux installations en cours À l’autre extrémité du tableau périodique de déchets radioactifs à vie longue [1]. Le des éléments – du côté des atomes légers – deutérium existe dans l’eau de mer, à une de construction aux États-Unis se présente une autre possibilité de déga- concentration de 33 mg par litre ; le tritium et en France. ger de l’énergie : la fusion nucléaire (le se fabrique aisément à partir du lithium, verbe fusionner étant pris dans le sens abondant dans l’écorce terrestre, mais L’article décrit les principales d’amalgamer). C’est une réaction au cours également dans l’eau de mer. On dispose de laquelle deux atomes légers entrent en de réserves pour des milliers d’années, et caractéristiques du Laser >>> Mégajoule, situé au CEA La fusion thermonucléaire CESTA, près de Bordeaux. Plusieurs réactions de fusion peuvent être effectuées à partir de noyaux légers. La plus facile à réaliser est la fusion d’un noyau de deutérium (D) et d’un noyau de tritium (T), qui sont des isotopes de l’hydrogène ; on obtient un noyau d’hélium avec une énergie cinétique de 3,5 MeV et un neutron de 14 MeV (emportant donc 80 % de l’énergie libérée). La réaction s’écrit : D + T → 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) La fusion de 1 g de mélange DT dégage 340 GJ, soit ~ 94 000 kWh, c’est-à-dire plus de quatre fois l’énergie par gramme dégagée par réaction de fission. C’est le physicien britannique J.D. Lawson qui, en 1957, établit la condition pour que le bilan d’une réaction de fusion soit positif : le produit de la densité de particules (n) par la durée de la réaction (τ) doit être supérieur à une certaine valeur k (qui est fonction de la température) : n × τ ≥ k Dans le cas de la réaction citée, k vaut 1014 cm- 3.s pour une température de l’ordre de 200 MK. Cette valeur peut être obtenue avec des plasmas très différents : • des plasmas de faible densité (n ~ 1014 cm- 3), mais de durée de vie très longue (en pratique, fonctionnant en continu) ; c’est la voie du confi nement magnétique ; • des plasmas de très haute densité (n ~ 1024 cm- 3) et de durée de vie très courte (~ 10- 9 s) ; c’est la voie du confi nement inertiel.

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 35 Matériau

Faisceau Plasma laser

Matériau Matériau

Faisceau Faisceau Plasma Plasma laser laser Cible Faisceau laser

>>> Matériau l’exploitation industrielle de la fusion permettrait donc de résoudre les problèmes Cavité Faisceau Cible Faisceau liés à notre approvisionnement énergétique. Cible Plasma Faisceau laser laser La fusion « contrôlée » fait l’objet de laser travaux intenses depuis la Seconde Guerre Cible Faisceau mondiale. Aucune installation industrielle laser n’a encore été réalisée ; la diffi culté de a b mettre en œuvre les conditions requises explique la lenteur des progrès. De grands Cavité Cavité projets sont toutefois en cours, empruntant deux voies différentes. Cible Faisceau Cible Cible laser Faisceau Les deux voies de la fusion Faisceau laser laser thermonucléaire Irradiation Ignition Combustion La première méthode est la Fusion par c d Confi nement Magnétique. Pour augmenter la durée de la réaction, 1. Principe de laCavité fusion par confi nement inertiel par laser. (a) Génération de la surpression. (b) Principe de l’im- on confi ne le plasma dans un champ plosion en attaque directe. (c) Principe de l’implosion en attaque indirecte. (d) Principe de l’allumage par point chaud. magnétique. Diverses solutions ont été imaginées, mais les plus prometteuses Cible Faisceau Irradiation Ignition Combustion restent celles où les lignes magnétiques imploserIrradiation une capsuleIgnition de petitelaser dimensionCombustion de la tuyère des gaz de combustion. Il peut sont des hélices d’axe torique qui, après (typiquement ~ 2 mm) contenant un être exploité pour imploser et comprimer un grand nombre de tours, engendrent mélange de deutérium et de tritium sous une coquille contenant un mélange fusible. des surfaces magnétiques en forme de forme cryogénique (en majeure partie Le principe de l’implosion est illustré sur tores emboîtés ; ce sont en particulier les solide), en l’irradiant par des faisceaux les fi gures 1b et 1c. « Tokamaks ». intenses de rayonnement ou de particules. Dans le schéma dit « en attaque directe », La machine européenne JET (Joint L’intensité de l’irradiation doit être telle la coquille contenant la cible (de dimension European Torus) est la plus grande, avec le que la densité et la température du millimétrique) est irradiée par un grand tokamak japonais JT60, des installations mélange comprimé atteignent les valeurs nombre de faisceaux laser dont les impacts de recherche sur la fusion magnétique. Irradiationrequises par lesIgnition réactions deCombustion fusion, et sont répartis de sorte que l’interaction Elle est implantée sur le site de Culham, soient maintenues par inertie le temps soit la plus uniforme possible (fi g. 1b). près d’Oxford en Angleterre. En 1997, elle que l’énergie thermonucléaire se dégage, Dans le schéma en « attaque indirecte », a produit 16 MW de puissance de fusion avant que la cible se désagrège. le rayonnement laser est absorbé dans une à partir d’un plasma deutérium-tritium. enceinte renfermant la cible, et converti La communauté internationale a proposé La fusion par confi nement (par une succession de processus élémen- un projet de très grande envergure, baptisé inertiel par laser taires d’absorption, de chauffage et de ITER (International Thermonuclear réémission) en un rayonnement X qui Experimental Reactor). Le site de Cadarache, C’est l’avènement du laser en 1960 qui réalise l’implosion. La cible est donc en France, a été choisi pour la construction fi t émerger ce concept, car ce rayonnement immergée dans un conteneur, qui agit de ce réacteur expérimental, dont l’objectif cohérent est facilement focalisable. Avec comme un « four » émettant un rayonne- est de parvenir à la maîtrise des mécanismes des lasers impulsionnels, on peut attein- ment dit de « corps noir », auquel on peut qui régissent le plasma en régime permanent dre aisément par focalisation du faisceau associer une température de rayonnement (dégagement énergétique de 400 à 500 MW des densités de puissance très élevées de plusieurs millions de kelvins (fi g. 1c). pendant quatre cents secondes) [2, 3]. (1014 W/cm 2). Cette solution est moins intéressante que La mise en fonctionnement d’ITER est la précédente sur le plan du transfert prévue pour 2019. En 2020, devrait débu- Le principe de la FCI d’énergie à la cible, mais assure une ter la construction d’une nouvelle machine Si l’on irradie un matériau (en noir sur meilleure uniformité d’irradiation. C’est baptisée DEMO, destinée à mettre au point la fi gure 1a) sous de telles conditions l’approche retenue pour l’installation les procédures d’exploitation industrielle d’éclairement, on créé un plasma (mélange « LMJ » (voir plus loin). d’un réacteur en régime nominal. Ce n’est d’ions et d’électrons) dense et de forte qu’au début des années 2050 que la température (plusieurs millions de degrés, Dans tous les cas, la pression générée construction d’une première usine de zone rouge). Sa détente génère une pression entraîne l’implosion de la coquille. Le production électrique pourrait débuter. très élevée (de l’ordre de plusieurs millions mélange fusible est porté en son centre à des d’atmosphères). Il en résulte une onde de conditions de densité et de température La seconde méthode est la Fusion par choc (représentée par la zone claire) qui pour lesquelles la combustion nucléaire se Confi nement Inertiel [4-7]. se propage dans le matériau (fl èche déclenche : ~ 300 g.cm- 3, ~ 70 MK. Ce L’idée à la base de la Fusion par rouge). Ce mécanisme est similaire à la mécanisme est nommé « allumage par Confi nement Inertiel (FCI) est de faire propulsion d’une fusée par éjection hors point chaud » (fi g. 1d).

36 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Section amplificatrice Pilote Un pilote génère l’impulsion élémen- taire (de longueur d’onde λ = 1 053 nm) Amplificateur Amplificateur et fi xe toutes les caractéristiques : largeur Polariseur de cavité FSC de transport FST Injection Miroir MT1 spectrale, profi l temporel, profi l spatial de section carrée. Il délivre une énergie Miroir Cellule L1 L2 L3 L4 déformable M1 de Pockels ajustable jusqu’à un joule. Un système de Demi-tour Transport miroirs et de lentilles assure le transport Réseau jusqu’à la section amplifi catrice. La section amplifi catrice comporte deux amplifi cateurs, chacun constitué de neuf Lame de phase Miroirs

MT2 à MT6 modules (plaques laser) en ligne. Ils sont  Les lasers de l’extrême Cible traversés quatre fois par l’impulsion lumi- Cristaux de conversion de fréquence (KDP) neuse, afi n d’accroître le rendement d’extraction de l’énergie déposée par les fl ashes. Hublot Réseau focalisant Un ensemble de miroirs (« demi-tour » + M1) Chambre d'expériences Système de conversion de fréquence et de focalisation associés à des trous de fi ltrage (FSC et FST) assure ces allers-retours et la sortie du 2. Schéma de la structure d’un faisceau LMJ. Le faisceau issu du pilote se propage vers le miroir M1, revient faisceau lumineux. Un miroir déformable jusqu’au système « demi-tour », qui lui fait faire un nouvel aller-retour dans la section amplifi catrice ; il en ressort (M1) assure la correction de surface d’onde. pour aller vers la section de conversion de fréquence et de focalisation. (Document tiré de la référence [3].) Les fi ltrages spatiaux (trous de faible dimension) ont pour objet de limiter les Quelques difficultés Le Laser Mégajoule modulations spatiales. Une cellule de Pockels Atteindre les conditions d’allumage et C’est depuis les années 60 que la commu- limite la propagation et l’amplifi cation de obtenir la combustion du DT présente nauté scientifi que s’intéresse à la physique la lumière parasite. des diffi cultés certaines. de l’interaction entre un rayonnement Dans chaque chaîne, les huit faisceaux Les travaux théoriques ont montré laser et la matière. On en a maintenant sont regroupés, afi n d’utiliser au mieux l’existence d’un seuil (en quantité de DT) à une assez bonne connaissance. Les progrès l’énergie délivrée au verre par les lampes atteindre pour obtenir un gain énergétique réalisés un peu partout dans le monde ont fl ash. C’est la raison du choix de la section (rapport entre l’énergie thermonucléaire incité deux laboratoires, la Direction des carrée des faisceaux lumineux, alors qu’ils dégagée et l’énergie laser déposée sur la applications militaires du CEA en France, sont traditionnellement de section circu- cible). Ceci implique une énergie et une et le Lawrence Livermore National laire. Tous les éléments optiques sont puissance minimales du rayonnement Laboratory aux États-Unis, à construire installés dans des structures métalliques qui laser utilisé pour réaliser l’implosion : il des installations permettant d’atteindre en assurent le positionnement, tout en faut disposer de quelques mégajoules l’allumage et la combustion du DT : le maintenant un très haut niveau de propreté. délivrés en quelques nanosecondes. Laser Mégajoule (LMJ) [8-9] et le À la sortie de la section amplifi catrice, En raison de l’éclairement très élevé National Ignition Facility (NIF) [10-11]. chaque faisceau lumineux, de dimension auquel on réalise les expériences, des En raison d’un accord offi ciel de collabo- transversale ~ 40 × 40 cm2, délivre phénomènes non linéaires se développent ration entre le CEA et le DOE ~ 20 kJ en ~ 15 ns. Une succession de dans le plasma au cours de l’interaction : (Departement of Energy), portant sur la miroirs dirige le faisceau lumineux vers le ce sont des instabilités qui sont néfastes, mise au point des technologies nécessaires, système de conversion de fréquence et de car elles s’accompagnent d’une perte les conceptions des deux lasers sont pro- focalisation dans la chambre d’expérience. d’énergie qui peut être importante, ainsi ches. Depuis 1999, leurs constructions se Le système de conversion de fréquence, que de la création d’électrons rapides qui poursuivent en parallèle (celle du NIF constitué d’un ensemble de deux cristaux préchauffent le DT, augmentent son étant plus avancée que celle du LMJ). de KDP (dihydrogéno-phosphate de entropie et nuisent à la compression. potassium), convertit la fréquence de la Des défauts d’éclairement ou de fabri- L’objectif du LMJ est de délivrer 2 MJ lumière laser en son harmonique 3 cation de la cible pourront induire des en ~ 15 ns. Il a été conçu sur la base du (λ = 0,351 nm) pour les besoins de la instabilités hydrodynamiques qui seront verre dopé au néodyme comme milieu physique de l’interaction rayonnement- amplifi ées, soit pendant la phase d’accélé- amplifi cateur, utilisé depuis plus de trente matière (l’effi cacité d’absorption par le ration de la coquille, soit pendant la phase ans au CEA. Pour obtenir les performances plasma est plus grande, et limite le déve- de ralentissement en fi n d’implosion, et visées avec une marge de sécurité raison- loppement d’instabilités paramétriques). qui dégraderont l’implosion. nable, deux cent quarante faisceaux laser À cette longueur d’onde, l’énergie déli- Dans l’optique – lointaine – d’un réacteur, ont été prévus. Leur section est carrée ; vrée en ~ 15 ns est de ~ 8 kJ. Enfi n, la on considère qu’il est nécessaire d’atteindre ils sont regroupés en trente chaînes de focalisation est réalisée par un réseau de des gains d’énergie compris entre 30 et 200 huit faisceaux. diffraction focalisant. Une lame de phase, pour assurer un fonctionnement satisfaisant Le schéma de base des principaux élé- qui crée de l’incohérence spatiale, réalise au plan économique. L’objectif actuel est ments d’un faisceau est présenté sur la le lissage de la tache focale (diamètre de valider le concept en laboratoire dans fi gure 2. Il comporte essentiellement trois caractéristique : ~ 700 µm). la prochaine décennie. tronçons. >>>

Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 37 Quelle que soit la voie choisie, un réac- teur à fusion présentera deux attraits fondamentaux : aucun risque d’emballement et absence de déchets radioactifs à vie longue. Par rapport à un réacteur à fusion magnétique, un réacteur à fusion inertielle aura l’avantage d’une construction modu- laire intéressante pour la maintenance. De nombreux projets de réacteurs ont été publiés depuis les années soixante-dix. Leur variété résulte de la possibilité d’associer plusieurs types de chambres aux différents “drivers” (sources d’énergie pour imploser la cible) possibles, d’autres solutions que le laser étant envisageables, par exemple des faisceaux de particules. Comme pour la voie magnétique, d’importants travaux de recherche et dévelop- 3. Photographie aérienne du Laser Mégajoule en construction au CEA-CESTA. © CEA G2I Vertigo pement sont nécessaires pour disposer des >>> divers composants et, en particulier, des La conception du LMJ présente de Le LMJ est fi nancé par le ministère de la matériaux pour réaliser la chambre. Il est nombreuses innovations, comparées aux Défense, dans le cadre du « Programme prématuré de proposer une échéance pour schémas classiques (multipassages, regrou- Simulation » qui fait suite à l’arrêt des la réalisation d’un réacteur de démonstra- pement des faisceaux, focalisation par essais nucléaires de la France ; l’objectif tion industrielle qui devrait valider le réseau, etc.). Il faut également mention- est la validation des modèles physiques fonctionnement intégré d’un “driver”, de ner l’augmentation de la fl uence de sortie applicables au domaine thermonucléaire. la chambre et du système d’injection des des chaînes (densité d’énergie en J.cm- 2) Mais cet objectif coïncide avec l’étape de cibles, fonctionnant à une fréquence de par rapport aux limites habituelles de la démonstration d’un programme visant à quelques hertz. On peut l’espérer pour la e tenue au fl ux des matériaux, en particu- la production d’énergie à des fi ns civiles. seconde moitié du XXI siècle. ❚ lier pour les éléments optiques travaillant à la fréquence triple du fondamental. Les perspectives L’énergie totale délivrée au centre de la chambre d’expériences, à la longueur d’onde En France, le CEA a décidé de construire Références λ = 0,351 µm, est de l’ordre de 2 MJ. La en avance de phase par rapport au LMJ un chambre en aluminium, de dix mètres de prototype, la Ligne d’Intégration Laser 1 • La fusion nucléaire : de la recherche fondamentale à la production d’énergie ?, Institut de France, Académie diamètre intérieur, supporte un vide (LIL), dont quatre faisceaux sont opéra- des sciences (2007). meilleur que 10- 6 torr. Elle est placée au tionnels depuis 2002 [12]. Cette installation 2 • R. Arnoux et J. Jacquinot, ITER, Le chemin des étoiles ? centre d’une salle, isolée du reste du bâti- a été jusqu’à présent utilisée pour effectuer Édisud (2006). ment par deux murs de béton d’un mètre des travaux destinés à valider le concept des 3 • Site d’ITER : www.iter.org/fr d’épaisseur, qui sont destinés à confi ner cibles à gain retenu pour le LMJ, et réaliser l’émission neutronique (environ 1019 neu- des expériences de physique des plasmas à 4 • R. Dautray et J.P. Watteau, La fusion thermonucléaire inertielle par laser, Eyrolles (1993). trons de 14 MeV pour un tir à fort gain). haute température, dans le cadre de 5 • Energy from inertial fusion, International Atomic Outre les dispositifs de focalisation et de l’ouverture à des équipes académiques. Energy Agency, Vienne (1995). conversion de fréquence, la chambre reçoit Le LMJ et le NIF devraient faire la 6 • M. Decroisette et al., L’énergie de fusion inertielle, le porte-cible cryogénique (18 K) ainsi démonstration de la combustion du DT Rapport CEA-R-6094 (2005). que les systèmes d’insertion de diagnostics, en laboratoire dans le courant de la 7 • B. Bigot et al., Topical issue on “Inertial Confi nement dédiés à la qualifi cation de l’interaction décennie. Une fois cette démonstration Science and Applications”, Eur. Phys. J. D 44 (2007) rayonnement-matière et aux mesures des acquise, la question d’un prototype de 203-206. performances de l’implosion. réacteur se présentera. 8 • D. Besnard, “The megajoule laser program – ignition L’ensemble du système laser et de son C’est dans cet objectif que le Royaume-Uni at hand”, Eur. Phys. J. D 44 (2007) 207-213. banc d’énergie (batterie de condensa- a présenté un projet baptisé HiPER (High 9 • Site du projet Laser Megajoule : www-lmj.cea.fr teurs), de la chambre et des diverses ser- Power laser Energy Research), susceptible 10 • E.I. Moses et al., “The national ignition facility : vitudes, est intégré dans un bâtiment de de réaliser la fusion avec une énergie de path to ignition in the laboratory”, Eur. Phys. J. D 300 m de long, 150 m de large et d’une départ plus faible que celle requise par le 44 (2007) 215-218. hauteur maximale de 50 m (fi g. 3). principe de l’allumage par point chaud, en 11 • Site du NIF : http://lasers.llnl.gov/ La construction de cette installation a mettant en œuvre un processus « d’allumage 12 • « La Ligne d’Intégration Laser », CHOCS – Revue débuté au Centre CEA du CESTA, près rapide » nécessitant des faisceaux laser scientifi que et technique de la Direction des appli- de Bordeaux, en 2003. Les premières annexes [13] ; sa construction pourrait cations militaires du CEA, n° 29 (2004). expériences sont prévues pour fi n 2014. débuter vers les années 2015. 13 • Site du projet HiPER : www.hiper-laser.org

38 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 EDP Sciences Accréditation d’EDP Sciences par le SCEREN-CNDP

Le SCEREN-CNDP, organisme public dédié à l’édition pédagogique pour les acteurs et les usagers du système éducatif, vient de retenir plusieurs titres d’EDP Sciences pour l’ensemble de son réseau de librairies (France et DOM-TOM). Les enseignants des collèges et lycées trouveront ainsi à la prochaine rentrée scolaire de nouvelles ressources pédagogiques innovantes pour la classe, comme pour leur propre formation dans le domaine des sciences. En physique ou astronomie, notamment : « Combien dure une seconde ? », « Combien pèse un nuage ? », « Cahier de découverte Astronomie », « Leçons de Marie Curie », les deux coffrets DVD « Tours du monde, tours du ciel »…

Par cette sélection, le SCEREN-CNDP reconnaît le savoir-faire pédagogique d’EDP Sciences et sa vocation à porter la science au cœur de l’enseignement.

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Le laser Coordonné par F. Bretenaker et N. Treps – Préface de C.H. Townes 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 outils 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. Collection Une introduction à… / ISBN : 978-2-7598-0517-4 / 180 pages / 19 €

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Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 39 Cette troisième partie décrit les mesures extrêmement précises qui peuvent être réalisées grâce aux propriétés exceptionnelles du rayonnement laser. La révolution récente des peignes de fréquences, expliquée ici par Anne Amy-Klein, est un superbe exemple d’utilisation des lasers femtosecondes à la mesure des fréquences et à la spectroscopie. L’outil laser, très stable, est tout aussi indispensable au développement fascinant de la physique des atomes froids, que Michèle Leduc et Pierre Lemonde évoquent en mentionnant les récents ponts jetés vers la physique de la matière condensée et la métrologie du Temps. La pureté spectrale, la qualité de faisceau et la puissance des lasers sont également mises à profit dans la manipulation des atomes pour réaliser les interféro mètres atomiques, présentés par Arnaud Landragin et Franck Pereira Dos Santos.

Figure d’interférences des ondes cohérentes de matière de deux lasers à atomes, émis par un condensat de Bose-Einstein (situé en haut de la figure), et tombant sous l’effet de la pesanteur. Dans la région de recouvrement, ces interférences constructives et destructives apparaissent comme des pics et vallées sur l’image. (Courtoisie : Immanuel Bloch.) Mesures de grande précision Des lasers à impulsions femtosecondes pour mesurer les fréquences Anne Amy-Klein ([email protected]) Laboratoire de physique des lasers, Université Paris 13, 93430 Villetaneuse

Les lasers à impulsions Les mesures de fréquences permettent Propriétés spectrales du laser de durée femtoseconde actuellement d’effectuer les expériences les plus sensibles de la physique, car l’unité de femtoseconde ont longtemps été développés temps-fréquence est l’unité réalisée, de loin, Les lasers à impulsions émettent à inter- uniquement pour leurs avec la meilleure incertitude : de l’ordre de valles réguliers des impulsions de lumière 10- 16 en valeur relative. Les applications de formes identiques, comme illustré par caractéristiques temporelles. sont très variées et intéressent autant le grand la ﬁ gure 1a. Le spectre se déduit par simple Cependant, leurs propriétés public (géopositionnement par satellites, transformation de Fourier. Il est constitué analyses en temps réel…) que les chercheurs d’un peigne de fréquences très large de spectrales sont aussi extra- de pointe (variation temporelle des constantes plusieurs dizaines de térahertz (THz) (l’in- fondamentales de la physique, tests de rela- verse de la durée de l’impulsion), pour ordinaires, car leur spectre tivité générale…). Cependant, pour atteindre lequel la distance entre modes est donnée

est constitué d’un peigne de de telles précisions, les dispositifs de mesures par la fréquence de répétition fr du laser, doivent également être caractérisés par des qui est l’inverse du temps séparant deux fréquences optiques extrê- incertitudes extrêmement basses. Pour des impulsions successives (ﬁ g. 1b). Il a été vériﬁ é mement régulier, qui peut radiofréquences ou des micro-ondes, divers expérimentalement que les modes étaient composants électroniques sont disponibles parfaitement équidistants, même aux deux être exploité pour réaliser et la chaîne de mesure est relativement extrémités du peigne, et ceci, à un niveau des mesures de fréquences simple. Pour des fréquences plus élevées, et d’au moins 10- 17 en valeur relative. C’est en particulier pour les fréquences optiques, l’interférence constructive de tous ces modes, de très haute précision. les composants électroniques ne sont pas correspondant à une très large gamme de Cette découverte a valu assez rapides, et, jusqu’aux années 2000, la fréquences, qui permet d’obtenir des impul- mesure précise de fréquences nécessitait sions très courtes. Cependant, la fréquence à T. W. Hänsch et J. L. Hall des dispositifs extrêmement complexes de d’un mode n’est pas directement un mul- le prix Nobel de physique 2005. « chaînes de fréquences », qui en limitaient tiple entier de la fréquence de répétition :

très fortement le développement. le spectre est décalé de f0 à l’origine. Ainsi, Dans cet article, nous expliquons Depuis une dizaine d’années, les chaînes chaque mode a pour fréquence de mesure sont simplement constituées d’un f = (p × f ) + f , où p est un entier qui les bases de cette technique p r 0 laser à impulsions de durée femtoseconde (fs). déﬁ nit le mode, et les fréquences fr et f0 de mesure de fréquences et Un seul instrument permet donc de com- sont des paramètres caractéristiques du laser. parer des fréquences allant du domaine des Le décalage f0 a pour origine physique la en décrivons quelques-unes radiofréquences jusqu’à l’ultraviolet. Cela différence entre les vitesses de phase et de des applications les plus a véritablement révolutionné la métrologie groupe de l’onde laser. Dans le domaine des fréquences et a donné lieu en 2005 à temporel, il induit un déphasage Δϕ à passionnantes. l’attribution du prix Nobel de physique à chaque impulsion entre la porteuse et T. W. Hänsch et J. L. Hall, pour « leur l’enveloppe de l’impulsion. contribution au développement de la Concrètement, la fréquence de répétition

spectroscopie laser de précision et, en fr est de l’ordre de 100 MHz à 1 GHz, le particulier, de la technique du peigne de décalage f0 est situé entre 0 et fr, tandis que le fréquences optiques ». laser femtoseconde émet dans le domaine >>>

42 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927  Mesures de grande précision

Chaîne laser femtoseconde 35 TW (Laboratoire d’optique appliquée, Palaiseau). © CNRS Photothèque / ENSTA / LOCHEGNIES José.

optique : autour de 800 nm pour les lasers laser femtoseconde peut alors être utilisé dépendent, entre autres, de la longueur L utilisant un cristal de saphir dopé au titane, comme une « règle » de fréquences. On de la cavité laser, ils doivent être contrôlés ou de 1500 nm pour les lasers à ﬁ bres dopées mesure le battement Δ de la fréquence f à très précisément, comme expliqué plus loin, en erbium. Les modes du laser femtose- mesurer avec le mode le plus proche du par rapport à une référence qui reproduit conde ont donc des fréquences de l’ordre peigne, par exemple le mode p : Δ = f – fp, l’unité de fréquence. L’incertitude sur la - 7 - 6 de c/(8 × 10 m) ou c/(1,5 × 10 m) puis on en déduit f = Δ + (p × fr) + f0. mesure de fréquence dépend uniquement (où c est la vitesse de la lumière dans le vide), On a ainsi ramené la mesure de la fréquence de l’incertitude sur la détermination ou le c’est-à-dire quelques 1014 Hz. D’après la optique f à celles de l’entier p et des contrôle de ces deux paramètres, comme nous relation fp = (p × fr) + f0, on en déduit que radiofréquences fr et f0, inférieures de quatre le verrons plus en détail en troisième partie. les modes du peigne correspondent à des à cinq ordres de grandeur. L’entier p est Le laser femtoseconde permet également valeurs très élevées de p, de l’ordre de 105. facilement obtenu à partir d’une première de comparer deux fréquences optiques

Le spectre du laser femtoseconde est donc mesure grossière de f, ou bien on l’estime différentes : f1 = Δ1 + (p1 × fr) + f0 et caractérisé par deux paramètres seulement : à partir de deux mesures successives obtenues f2 = Δ2 + (p2 × fr) + f0, en éliminant la le taux de répétition du laser, fr, et le déca- avec deux valeurs différentes de fr. La contribution de fr, et en mesurant par lage global du peigne de fréquences, f0, mesure d’une fréquence optique dépend alors ailleurs f0. Enﬁ n, le doublage de fréquences tous les deux situés dans le domaine simplement de la détermination des deux offre la possibilité d’étendre cette technique radiofréquence. Le peigne de fréquences du paramètres fr et f0. Comme ces derniers de mesure au proche ultraviolet.

Δϕ 2Δϕ E(t) Δϕ 2Δϕ E(t)

t t τ = 1/fr a τ = 1/f Transformée de Fourier r

f I(f) 0 fr f I(f) 0 fr

f 0 pème mode du peigne f 0 ème fp = p fr + f0 p mode du peigne fp = p fr + f0 b

1. Représentation de l’émission d’un laser femtoseconde en fonction du temps et de la fréquence. (a) Train d’impulsions émis par un laser à modes bloqués ; le déphasage ∆ϕ correspond au décalage du maximum du champ, par rapport au centre de l’impulsion, d’une impulsion à l’autre. (b) Spectre du laser à impulsions, qui correspond à la transformée de Fourier de ce champ ; les graduations donnent les harmoniques (ou fréquences multiples) de fr.

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 43 >>> Contrôle de la fréquence des modes du laser femtoseconde Nous allons maintenant expliquer comment détecter et contrôler les deux paramètres du peigne. Indice de réfraction Le lecteur moins intéressé par ces détails techniques, Revêtement pourra passer directement à la partie suivante. Gaine Cœur La fréquence de répétition est un para- mètre simple à mesurer et à contrôler. Il sufﬁ t d’envoyer une partie du faisceau laser femtoseconde sur une photodiode d Λ rapide pour détecter le « battement » entre les divers modes de l’impulsion, et ainsi 10 μm

mesurer fr. Cette fréquence de répétition est directement reliée à la longueur L de la 2. Fibre dite « à cristaux photoniques » (à gauche : image extraite de www.blazephotonics.com/ ; à droite : image extraite de www.thorlabs.de/) cavité du laser par la relation : fr = vg/L, où vg est la vitesse de groupe de l’impulsion. La fréquence fr varie au cours du temps, car la longueur optique de la cavité laser ﬂ uctue et dérive en fonction, entre autres, I(f) x 2 de la température. Il est donc nécessaire,

soit de mesurer fr en temps réel, soit de stabiliser sa valeur à une valeur de référence fi xée. Dans ce dernier cas, il suffi t d’agir sur la longueur L de la cavité. On peut monter, par exemple, un des miroirs de la cavité 0 laser sur une céramique piezoélectrique f f = 2p f + f 2f = 2 (p f + f ) dont l’épaisseur varie en fonction de la 2p r 0 p r 0 tension appliquée, ce qui permet de déplacer le miroir très fi nement. La détermination de f est beaucoup plus f 0 3. Détection du décalage f du peigne. 0 délicate, et la technique couramment uti- 0 lisée nécessite un dispositif particulier pour élargir l’impulsion sur plus d’une octave. Cela a été rendu possible depuis les années 2000 par l’apparition des fi bres micro- structurées (fi g. 2), qui ont la propriété de Laser pompe propager avec la même vitesse les différents Puissance modes de l’impulsion. Dans ces fi bres de forme très spécifi que, la dispersion de Laser fs Longueur de la cavité vitesse de groupe associée au guide est importante, ce qui permet de compenser Écart PD f Position la dispersion de la silice, et ainsi d’ajuster r du peigne du peigne le zéro de dispersion autour de la longueur d’onde d’utilisation. Avec cette annulation de la dispersion, et un cœur très petit, ces Fibre optique fi bres microstructurées sont sujettes à de microstructurée très forts effets non linéaires. On obtient ainsi un élargissement spectaculaire des Laser fs stabilisé impulsions sur plus d’une octave.

Pour mesurer le décalage f0, la méthode Hautes fréquences couramment utilisée consiste à engendrer (f2p) PD f les modes de fréquences doubles de la partie λ/2 λ/2 0 basse fréquence du peigne, par génération Basses Cristal de second harmonique dans un cristal non Filtre fréquences (f ) p doubleur 2f linéaire. Si le peigne s’étend sur plus d’une p octave, la partie basse fréquence du spectre généré se recouvre alors avec la partie 4. Montage « autoréférencé » pour le contrôle des paramètres du peigne (PD : photodétecteur).

44 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 que soit la valeur de p (fip de valeur la soit que : 3) g. montage global est illustré sur la fila sur illustré est global montage 4. gure éée a sga d GS: n et ainsi obtenir une incertitude 10 de × 3 peut on : GPS du signal au référer unité. cette réalise qui horloge une est temps-fréquence de primaire L’étalon le hertz (Hz), et par conséquent la seconde. Hz exactement, ce qui défi770 631 192 9 nit de latransitionaétéfi xée arbitrairementà constitue fréquence et La absolue. référence une donc temps, du cours au priori a Leur différence d’énergie ne doit pas varier niveau fondamental de l’atome de césium. hyperfisous-niveaux du deux ns les entre défi possible est nie, depuis 1968, à partir de la transition Celle-ci mieux temps-fréquence. de le l’unité réalise qui quence, fré- de étalon un à rapport par calibrées sensibilité haute très de mesures et fréquence de absolues Mesures 2f fréquence de harmonique mode le coexistent lesquelles pour p de valeurs plusieurs trouver alors haute fréquence du spectre initial. On peut a ies d gop, ot éed f dépend dont groupe, de vitesse la linéaire responsable de l’effet laser, et donc non modifimilieu cela du effet, l’indice e En femtoseconde. laser du pompe de laser du puissance la sur exemple, par agissant, f battement à la fréquence 2f de signal le mesurer peut on et interfèrent de 10 de l’ordre de incertitudes des avec optiques, peut alors réaliser des mesures de fréquences On métrologie. de nationaux laboratoires les dans développés primaires étalons aux performances, il est nécessaire de se référer merciale. Enfin, pour obtenir les meilleures com- également césium, au ou rubidium au horloge une utiliser faut il meilleures, fois cent environ performances des Pour respond exactement au décalage f décalage au exactement respond aaèrs f deux paramètres des mesures les exactes, être Pour mesures de fréquences avec une précision une avec fréquences de mesures métrologiques, la possibilité de réaliser des et une exactitude de l’ordre de 3 × 10 × 3 de l’ordre de exactitude une et 2p 2f La solution la plus simple consiste à se à consiste simple plus la solution La nut, e otôe e f de contrôle le Ensuite, eeos u msrs e fréquences. de mesures aux Revenons Au-delà des applications purement purement applications des Au-delà du peigne initial. Ces modes 2f modes Ces initial. peigne du p – f – - 14 - 2p à 10 à = 2 (pf 2 = r t f et - 16 - en valeur relative. valeur en p et le mode de fréquence de mode le et r + f + 0 e de (et 0 ) – (2pf – ) diet être doivent Δ) p 0 – f – ’fete en s’effectue r + f + 2p - , qui cor- 10 0 0 sur s 10 , quelle , ) = f = ) p et f et 0 Le . - 12 - 0 . 2p .

temps, qui pourrait être de le l’ordre de 10 avec fréquences des variation une par dans le temps et l’espace. Cela doit se traduire stables pas sont ne usuelles constantes les standard, grande « unifi de », et cation prévoient toutes que supercordes Modèle des celles du notamment au-delà se qui théories situent les car temps, au du varier cours de susceptible est et mentales fonda- constantes des fonction en ment ou égale- s’exprime rapport Ce moléculaires. atomiques transitions de fréquences deux de rapport le déterminer, de donc et Le laser femtoseconde permet de comparer, fistructure de de constante la Rydberg, ne… constante la proton, du de et masses l’électron les que telles fondamentales, priment en fonction de diverses constantes résonance atomiques ou moléculaires s’ex- de transitions de fréquences les effet, En temps. le avec fondamentales des constantes variation éventuelle une à sensibles contradictoires. mesures deux actuellement coexistent lequel pour proton, du charge de rayon le mesurer de valides, supposés sont modèles ces si bien, ou théorie cette de modèles les précisément très tester de de constante permet Cela quantique. l’électrodynamique à la dues déduire radiatives corrections les et Rydberg en peut on celle d’une autre transition de l’hydrogène, avec mesure cette combinant En dentes. précé- mesures aux rapport par 20 facteur par ce nouveau dispositif. nouveau ce par offerte passionnante, perspective d’une ici s’agit Il théories. les contraindre de mesure en être pouvoir bientôt devraient Les expériences. expériences de être comparaison de fréquences plusieurs par puisse des validée fondamentales temporelle constantes variation éventuelle qu’une essentiel aussi est Il séparément. constante chaque de variation la d’extraire mentaire des diverses comparaisons permet complé- caractère Le relative. valeur en n 99 vc n péiin eaie de relative 10 × 1,8 précision une avec 1999 en 1s-2s de l’atome d’hydrogène a été mesurée la physique fondamentale. Ainsi, la transition très élevée permet d’explorer les limites de à 10 à structure fistructure 10 de del’ordre de ne, constante la de variation éventuelle fréquences de uneà supérieure limite une donner pour mesures leurs interprété Ces mesures de fréquence sont également Plusieurs groupes ont récemment récemment ont groupes Plusieurs - 18 par an, en valeur relative. valeur en an, par - 14 - si ue mloain d’un amélioration une soit , - 15 - par an par - 15 -

Bilan et perspectives et Bilan ans après sa découverte. sa après ans de recherche ou développement, cinquante qui continue de susciter de nouveaux thèmes laser, du exceptionnelles potentialités des sibles il y a une douzaine d’années, témoigne biomédicale... analyse procédés, de contrôle copique en temps réel : détection de traces, au niveau industriel pour l’analyse spectros- développer se de susceptible donc est qui sensible, très et rapide C’est très technique une peigne. du modes des fréquences d’une les toutes l’absorption pour simultanément molécule, sonder de femtoseconde permet laser source d’une sation fréquence... de peignes des avec Fourier de spectroscopie laires, calibration de spectres astrophysiques, paraison d’horloges atomiques ou molécu- com- : large très est d’applications champ aux Le métrologie. de jusque-là nationaux laboratoires réservées d’expériences palette une laboratoires de nombre un grand à accessible rend compact, et simple plusieurs ordres de grandeur. Ce dispositif, de différant fréquences des comparer de permettant optiques, fréquences de peignes des comme présentent se femtosecondes impulsions à lasers les que découvert ont • • • • • • • Pour en savoir plus savoir en Pour Hall J.R.

Site Site Cundiff S.T. Reﬂ ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 L’ensemble de ces applications, imprévi- l’utili- développement, dernier ce Dans Depuis une dizaine d’années, les chercheurs S.T. Cundiff, eds., Springer, New York (2005). York New Springer, eds., Cundiff, S.T. et Ye J. technology, comb frequency optical Femtosecond EDP Sciences (2010). Sciences EDP Le laser, ouvrage coordonné par N. Treps et F. Bretenaker, CNRS. », fréquences de logie métro- la pour ultracourtes lumineuses Impulsions « combs.cfm www.nist.gov/public_affairs/releases/frequency_ www.mpq.mpg.de/~ : 2005 L. Hollberg L. Holzwarth R. ; 1482-1492 (2001) 3749. (2001) du Prof. Hall, prix Nobel de physique 2005 : 2005 physique de Nobel prix Hall, Prof. du web u rf Hnc, rx oe d physique de Nobel prix Hänsch, Prof. du web et al., et et al., et t al., et IEEE J. of Quantum Electronics Quantum of J. IEEE , 1502-1513. id., eiw f Scientiﬁ Intruments of c Review 2005, physique la de Images haensch/comb/index.html t al., et ❚ , 1493-1501 ; 1493-1501 id., (2001) 37 72

45 Mesures de grande précision Atomes froids : réseaux optiques et horloges

Michèle Leduc(1) (michè[email protected]) et Pierre Lemonde(2) ([email protected]) (1) Laboratoire Kastler Brossel, École Normale Supérieure, 24 rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05 (2) SYRTE, Observatoire de Paris, 61 avenue de l’Observatoire, 75014 Paris

Le domaine des « atomes Le domaine de recherche autour des Pourtant, il a fallu développer d’autres froids » est en expansion. atomes refroidis par laser a bientôt trente types de pièges, purement magnétiques ou ans ; aujourd’hui il est en pleine expansion, purement optiques, pour amener, par une L’interaction lumière-matière abordant des territoires toujours nouveaux technique dite d’« évaporation » des gaz, permet de refroidir un gaz de la physique fondamentale comme des jusqu’à des températures proches du zéro applications. Le principe du refroidissement absolu (fi g. 1). On est ainsi parvenu à mettre en dessous du microkelvin et du piégeage des atomes par laser a fait en évidence la condensation de Bose- et de le piéger dans le vide. l’objet du n° 112 du Bulletin de la SFP Einstein, ce phénomène très étonnant qui (décembre 1997-janvier 1998), après consiste à accumuler des bosons dans l’état À partir des condensats l’attribution du prix Nobel en 1997 à fondamental d’un piège. La transition de de Bose-Einstein, on extrait Claude Cohen-Tannoudji, ainsi qu’à ses phase de cette condensation se produit lorsque deux collègues américains Steven Chu et la longueur d’onde de de Broglie associée à des « lasers à atomes ». William Phillips. Après un bref rappel des chaque particule (qui est inversement On sait aussi faire varier méthodes à la base de ce domaine, le présent proportionnelle à la racine carrée de la article se propose de donner quelques température) devient de l’ordre de la distance l’interaction entre les particu- exemples de nouvelles orientations prises entre les particules ; les paquets d’ondes se les. Piégés dans des réseaux par la recherche utilisant des « atomes froids », recouvrent et une fonction d’onde macro- sans vouloir couvrir l’ensemble de ce sujet scopique se construit. Le gaz devient ainsi optiques avec des ondes devenu très vaste. superfl uide, comme l’atteste la possibilité stationnaires, les atomes d’y engendrer des tourbillons quantiques. Condensation de Bose-Einstein La fi gure 2 montre un des premiers ultra-froids, en particulier et lasers à atomes condensats, obtenu avec du sodium par fermioniques, fournissent W. Ketterle en 1999 au MIT. Depuis, ce Le ralentissement d’un atome par un phénomène donne lieu à des développe- des systèmes modèles pour faisceau laser est fondé sur des cycles ments extraordinaires et la galerie des la physique de la matière d’absorption/émission de photons par atomes condensés s’accroît chaque année. l’atome et sur les transferts d’impulsion Un exemple d’utilisation des condensats condensée. associés (voir encadré 1, haut) : après un de Bose-Einstein est la création des « lasers grand nombre de tels cycles, l’atome est à atomes » : on crée une « fuite » dans le L’utilisation d’atomes froids fortement freiné dans la direction opposée condensat, des atomes quittent physiquement au faisceau laser, sa vitesse passant de le piège et tombent alors sous l’effet de la pour les horloges a permis quelques centaines de m/s à quelques cm/s. pesanteur, tout en gardant les propriétés d’obtenir un gain considérable On peut en outre, avec une méthode qu’ils avaient dans le condensat. Un paquet semblable, diminuer la température du d’ondes cohérent de matière se propage sur l’exactitude, offrant des gaz en réduisant la dispersion de la vitesse ainsi dans l’espace avec des atomes ayant possibilités fascinantes de tests des atomes (voir encadré 1, bas). Les tem- tous la même direction et la même vitesse, pératures atteintes se situent dans la zone présentant beaucoup d’analogies avec un de physique fondamentale. des microkelvins (µK). laser optique (voir l’image d’ouverture de la Une nouvelle révolution Les gaz ultra-froids sont produits dans troisième partie, p. 41). Les lasers à atomes des pièges qui maintiennent quelques peuvent être manipulés, c’est-à-dire réfl échis, s’annonce avec les horloges milliards d’atomes dans le vide, loin des focalisés ou séparés en plusieurs bras comme optiques. parois des enceintes. Le dispositif devenu des faisceaux optiques. Leurs applications standard est le piège magnéto-optique(1), sont encore à imaginer, même si leur utili- utilisé pour toutes sortes d’applications, sation est déjà envisagée dans de futures allant de la métrologie à la chimie froide. générations de gyroscopes atomiques [1].

46 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 et des moléculesdes et froides aussifermionsEtdes de faire changer la longueur de diffusion diffusion de longueur la changer faire de permet variable magnétique champ un où Feshbach, de résonances les sont ce : froids atomes des domaine le bouleversé a qui ce volonté, à varier faire les et ultra-froides pour modifi particules entre er les interactions maintenant. voir le allons nous froides jouent un rôle ultra- déterminant, comme particules les entre interactions les en transforme se liquide sous l’effet qui des Pourtant, interactions. gaz d’un usuelle condensation la de complètement elle ; diffère bosons de dilués très gaz des dans phénomène collisionnel. déplacement de effets des s’affranchit ainsi on : atomiques horloges les dans utilisation une pour particulier intérêt un confère leur tiques l’absence iden- fermions entre que d’interaction d’énergie aussi Notons dégénérés. Fermi T Fermi ratures très inférieures à leur température de tempé- des jusqu’à fermions de (atomiques) s’appliquer puisse (fi gaz desportermaintenant sait g. On1). élastiques, collisions les sur fondée évaporatif,refroidissement de états des dansfermions desbosons,ou des avec fermions (des gaz différents de mélange particulière pour les refroidir méthode : on uneutilise employer un fallu a il bosons, collisionnellesétant différentes de celles des propriétés Leurs conséquences. d’importantes n a prat as interaction sans parfait gaz un basse température à ils se comportent : remarquable comme résultat un cas leur dans condensation de Bose-Einstein. On observe une àdonnentlieu neultra-froids,pasqui Une méthode a été trouvée récemmenttrouvée été a méthodeUne Bose-Einstein, de condensation La Faisons d’abord le point sur les fermionsles d’abordFaisonspointsur le spin différents) pour que la technique du F : on parle alors de gaz de Fermi de gaz dealorsparle on : purementapparaît quantique, (2) c qi a qui ce , >>> a

t le seuil de confide seuil le progressivement abaissant U nement expulsé est l’atome émettant de la vapeur quand on soufﬂon quand vapeur la de émettant dessus. e en refroidit se qui chaud liquide qu’un manière même la de fonctionne Il (a) évaporatif. Refroidissement 1. magnétique jusqu’à une certaine limite d’énergie cinétique U collision élastique, collision  k → a Faisceau laser(k) E quelques cm/s sur des distances inférieures au mètre. inférieuresau distances des sur cm/s quelques fortement être à m/s de centainesquelques de passer peut Leurfreinés. vitesse par finissent direction même la dans toujours incidente impulsion une encaissent qui atomes les Mais zéro. à moyenne se photons les par emportée l’impulsionémission, à la vitesse du jet. Après un grand nombre de cycles d’absorption opposée direction une dans laser faisceau un envoie on lequel aléatoiredirection (fig.c).une dans photon un même direction, puis retombe dans l’état fondamental en émettant Refroidissement par effet Doppler effet par Refroidissement Ralentissement (fig. b) : il acquiert une vitesse vitesse une acquiert il : b)(fig. celui-ci de incidente direction la dans photon du l’impulsion impulsion une aussi transporte l’atome.Ilpar absorbé être peut qu’iltelle photon (fig. a). Le photon a une énergie dite résonante, c’est-à-dire d 1 asre e htn pse as ’tt xié E excité l’état dans passe photon, le absorbe , Considérons maintenant un jet d’atomes en mouvement sur mouvement en d’atomes jet un maintenant Considérons osdrn daod n tm a rps u rnote un rencontre qui repos au atome un d’abord Considérons Ralentissement et refroidissement des atomes par laser par atomes des refroidissement et Ralentissement E 1 k → h → . L’atome, initialement dans son état fondamental état son L’atome,dans initialementk. deux atomes d’énergie E d’énergie atomes deux du piège. (c) On concentre les atomes les plus froids (de couleur bleue) au fond du piège. En En piège. du fond au bleue) couleur (de froids plus les atomes les concentre On (c) piège. du E 2 Atomes → V k → R =hk/m Faisceau laser(k) → E V Faisceau laser(–k) 1 k → R 1 , dite vitesse de recul, dans la dans recul, de vitesse dite , et E et E 1 2 T. Kulikova - Fotolia.com - Kulikova T. © donnent deux atomes d’énergie E d’énergie atomes deux donnent → – k → V' =h(k–k')/m → 0 , on obtient un gaz de température extrêmement basse. extrêmement température de gaz un obtient on , → k' → E c → 2 → k Atomes → 0 Reﬂ ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 → V . Ils sont à l’équilibre thermodynamique. Après une les atomes et les confine au centre (fig.d). centre auconfine les et atomes les Il en résulte une force de friction qui freine gauche). de faisceauvientquile absorbe qui vient de droite (s’il vient de gauche, il droite, il de absorbe préférence le faisceau la vers déplace se atome un si Doppler, par l’effet lade à cause fréquence À résonance. rapport en décalés laser ceaux Faisceau laser(k) R 2 =hk/m t encaisse et Les Les atomes sont placés entre deux fais- b → (b) Les atomes sont confisont atomes Les (b) piège un dans nés E E E E E 1 k → 4 3 2 1 / Faisceau laser(–k)

E → 1 3 +E b c a et E et E 2 1 =E 4 E . Si E Si . – k 2 k → → V' =h(k–k')/m → 3 Atomes Faisceau laser(k) +E 4 → V est supérieur à U à supérieur est R =hk/m → k' 4

→ → → Encadré 1 Encadré E → 1 k → U 0

Faisceau laser(–k)

→ 0 , E E 1 2 47 – k Atomes →

V' =h(k–k')/m →

→ V Mesures de grande précision R =hk/m →

k' → → → → Faisceau laser(–k) E 1 – k → V' =h(k–k')/m → → k' → → → >>> (voir encadré 2). Appliquée à un condensat de Bose-Einstein, où a est positif, la traversée d’une résonance de Feshbach est susceptible de faire exploser le condensat. Mais c’est pour les gaz fermioniques que ces résonances présentent le plus grand intérêt : en effet, en s’approchant très près de la résonance du côté où a est négatif, on produit une attraction si forte entre deux fermions, qu’on réussit à les lier dans une molécule dont la durée de

T > TC vie peut atteindre plusieurs secondes. De tels T > TC T < T dimères de fermions constituent des bosons T < TC C composites, qui sont alors susceptibles de T << TC T << TC donner lieu à un condensat de Bose-Einstein, pourvu que leur densité soit sufﬁ sante. Ces condensats moléculaires sont maintenant couramment étudiés. Si l’on traverse la résonance de Feshbach 1,0 mm pour se retrouver du côté où a est positif, 1,0 mm d’autres phénomènes quantiques très inté- 2. Condensation de Bose-Einstein du sodium. ressants se produisent : les fermions sont En haut : image d’absorption d’un faisceau sonde par les atomes après expansion du nuage pendant un certain susceptibles de s’apparier en formant des temps de chute libre (mesure dite par temps de vol). On reconstitue ainsi la répartition spatiale des vitesses des paires très lâches d’atomes de moments atomes dans le condensat initial, trop petit pour être visualisé directement. angulaires opposés, qui présentent beaucoup En bas : à gauche, au-dessus de la température critique T , la distribution des vitesses est celle d’un gaz normal C d’analogies avec les paires de Cooper d’élec- en équilibre thermique ; au centre, juste en dessous de T , des atomes condensés apparaissent, caractérisés par une C trons dans les matériaux supraconducteurs. seule vitesse (pic étroit au-dessus du fond thermique), mais du gaz non condensé subsiste ; à droite, pratiquement La transition entre la condensation de tout le gaz est condensé. (Courtoisie W. Ketterle, MIT-Harvard.) molécules dimères et la formation de paires du type « paires de Cooper » fait l’objet de recherches très actives, tant sur le plan Résonance de Feshbach Encadré 2 expérimental que théorique.

La longueur de diffusion a est le paramètre qui, en première approximation, caractérise Des atomes froids les collisions entre deux particules à très basse énergie ; par convention, elle est comptée dans des réseaux optiques positivement pour une interaction répulsive, et négativement dans le cas opposé. La section efficace σ s’écrit σ = 4πa2 pour des particules discernables, σ = 8πa2 pour des bosons Les gaz d’atomes ultra-froids, bosoniques identiques et σ = 0 pour des fermions identiques. ou fermioniques, sont des systèmes robustes et versatiles qui servent aujourd’hui à étudier a ≥ 0 de nombreux problèmes fondamentaux. E Nous venons de voir avec les « paires de Cooper » un exemple où les atomes froids fournissent un système modèle. D’autres 0 exemples sont maintenant fournis par des a ≤ 0 atomes froids distribués dans des structures régulières dans l’espace. Pour cela, on piège les atomes dans des potentiels périodiques Longueur de diffusion a 0 Champ magnétique B formés de réseaux optiques. Les atomes sont alors conﬁ nés, non plus dans des pièges magnétiques, mais dans des pièges optiques La figure montre au centre comment varie la longueur de diffusion a en fonction du dipolaires fondés sur l’interaction entre le champ magnétique B lors d’une résonance de Feshbach. En vert, figure le potentiel moment dipolaire induit d’un atome et un d’interaction entre deux atomes froids en fonction de leur distance. À courte distance, les champ électrique extérieur, tel que le champ deux atomes peuvent former une molécule dimère aux états d’énergie quantifiés. On voit oscillant d’un laser. La fréquence du laser (potentiel à gauche) l’état moléculaire le moins lié dans le potentiel d’interaction dont est en général choisie loin de la résonance l’énergie de liaison, en première approximation, est E = h2/ma2. Si l’on applique un atomique, de façon à minimiser l’émission/ champ magnétique, on déplace la position de ce dernier niveau moléculaire dans le absorption du laser par les atomes. En potentiel ; lorsqu’il s’approche du seuil de dissociation, c’est-à-dire que E devient très superposant des faisceaux se propageant petit, la longueur de diffusion a augmente considérablement et tend vers l’infini. en sens inverse, on forme une onde stationnaire dont les nœuds ou les ventres

48 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 sln d Mott superfluide- de isolant transition la par donné est un n-corps à et corrélé fortement faible système interaction en Un quantique système un entre condensée. transition de matière exemple la la de pour théorie intéressante extrêmement tion situa- une corrélés, fortement quantiques deviennent états les cinétique, l’énergie inte ces Si à l’autre. site d’un sentir font se qui jouer particules, et les entre laser interactions les avec du l’intensité avec puits des profondeur la varier faire qu’onpeut condensée. matière en observés ceux que tels complexes, plus beaucoup quantiques systèmes d’autres propriétés dynamiques les simuler pour contrôlable, hautement quantique système d’un ainsi l’interaction entre de les etc.particules, force On dispose maille, la de taille réseau, du dimensionnalité et forme : paramètres les manipuler en volonté à peut on surtout et solides, matériaux des ceux que variés plus bien être peuvent d’atomes artifi ciels (ficubiqueagencements telstal De localisés g.3b). sont cris- d’un mailles des ils sommets aux comme stationnaires), ondes (ficomme des aiguilles g.;3a) stationnaires) en 3Dminces (trois tubes des ondes dans atomes confi les (deux ne 2D réseau un ; froids d’atomes disques de ensemble un produit stationnaire) onde seule (une 1D réseau Un3D. ou 2D 1D,dimension de périodiques réseaux des obtenir on peut de potentiel. Avec plusieurs paires de lasers, constituent en sont encore à leurs leurs à encore sont les en recherches dans ces Toutes froids optiques. atomes réseaux les par offertes sont égalemen d’Anderson et la localisation désordonnée pose de matière la physique la vers transitions ces D’autres ouvertures questions. de beaucoup de dynamique la disparaissent. Ceci est illustré sur d’ensemble la fi cohérence gure 4. Comprendre la site, par la superflplusieurs ou que ainsi un uidité à localisent se atomes les », masse certain d’un au-delà par contraire, Au l’autre tunnel. à effet site d’un l’aise et à donné circulent site un dans localisés pas sont ne géante atomes les ; réseau d’onde le tout sur étendue fonction être une peut par décrit et superfl uide demeure gaz Lorsque augmente optique. du réseau puits des la profondeur lorsqu’on condensés bosons Un autre avantage de tels réseaux est est réseaux tels de avantage autre Un ractions deviennent plus fortes que que fortes plus deviennent ractions seuil le système « se prend en en prend se « système le seuil e pis ot e pood, le profonds, peu sont puits les un réseau périodique de puits puits de périodique réseau un (3) , observée avec des des avec observée , débuts. >>> t

le gaz a des propriétés superfl uides. En (b) la profondeur des puits de potentiel est grande, la position des position fiest atomes la superflgrande, la réseau, le dans est xée disparu. potentiel a uidité de puits des profondeur la superfl(b) propriétés En des uides. a gaz le réseau, le tout sur s’étend macroscopique d’onde fonction la tunnel, effet par sites les entre librement circulent atomes les profonds, peu sont réseau du potentiel de puits les (a) En réseau. le dans atomes les piège qui laser faisceau du l’intensité varier faisant en (b) à (a) réseau de passe On d’artiste). un (vision dimensions trois en dans optique Bose-Einstein de condensats des pour Mott superfl de Transition uide/isolant 4. dimensions. trois à réseau (b) en dimensions, deux à réseau (a) En piéger. se viennent atomes les lesquels dans électromagnétiques périodiques potentiels des créent stationnaires ondes des (fllaser faisceaux formant de bleues) paires èches Des optiques. réseaux des dans piégés froids Atomes 3. a b a Refl ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 b

49 Mesures de grande précision >>> Des horloges atomes froids en 1993. Les horloges à césium toujours plus précises à atomes froids (fi g. 6) atteignent aujourd’hui une exactitude relative de 3 à 4 10- 16 ! Si les atomes froids permettent des progrès Une nouvelle génération d’horloges, dites spectaculaires dans certains domaines de la optiques, semble aujourd’hui amorcer une physique fondamentale, leur intérêt ne se autre révolution, comme l’indiquent les limite pas à cela et ils trouvent des applica- résultats les plus récents portés sur la fi gure 5. tions pratiques de plus en plus nombreuses. Les chercheurs développent de nouvelles La plus importante concerne les horloges horloges, utilisant d’autres atomes que le atomiques. Depuis une cinquantaine d’an- césium et basées sur des transitions atomiques nées, les meilleures horloges sont basées sur dans le domaine optique et non plus micro- la fréquence d’une transition entre deux onde. La fréquence de ces transitions optiques niveaux d’énergie d’un atome, ce qui est plus de dix mille fois plus élevée que constitue une référence stable et universelle. celle de la transition d’horloge du césium ! L’étalon qui défi nit actuellement la seconde La plupart des effets limitant les performances est une transition entre deux niveaux des horloges étant indépendants en valeur hyperfi ns de l’atome de césium, située dans le absolue de cette fréquence, ils s’en trouvent domaine micro-onde, à 9 GHz. La précision réduits d’autant en valeur relative. Il a toute- des horloges à césium a connu une amélio- fois fallu résoudre plusieurs diffi cultés ration considérable, presqu’un facteur 100, majeures pour que cette idée simple puisse lorsque l’on a remplacé par des atomes froids être mise en pratique. les atomes d’un jet de césium se déplaçant à La première est qu’il n’existait pas d’élec- la vitesse thermique. La raison première tronique assez rapide pour compter les est que des atomes refroidis peuvent être fréquences optiques, c’est-à-dire suivre les observés pendant un temps beaucoup plus aiguilles de ces horloges à très haute fré- long que les atomes d’un jet thermique. Cela quence. Ce problème est aujourd’hui résolu permet d’obtenir des résonances atomiques par l’utilisation de peignes de fréquence plus fi nes d’un même facteur et, en consé- basés sur des lasers femtoseconde (voir l’ar- Pour en savoir plus quence, un pointé de ces résonances plus ticle d’Anne Amy-Klein dans ce numéro). précis. L’autre raison essentielle tient au fait La deuxième diffi culté tient à l’effet 1 • Voir l’article de A. Landragin et F. Peirera dans que le mouvement des atomes entraîne un Doppler mentionné plus haut. Celui-ci est ce numéro, p. 53. changement apparent de la fréquence par indépendant en valeur relative de la fréquence effet Doppler, effet mécaniquement réduit de la transition, constituant la principale • Le laser, coordonné par F. Bretenaker et N. Treps, EDP Sciences (2010). avec des atomes froids. La fi gure 5 illustre exception à la règle ci-dessus. Une solution l’amélioration progressive de la précision des est de confi ner fortement les atomes. • E. Jahier, Les atomes froids, EDP Sciences (2010). horloges atomiques au cours du temps : on L’effet du mouvement résiduel des atomes • M. Le Bellac, Le monde quantique, EDP Sciences (2010). note le brusque progrès lié à l’utilisation des dans le piège se réduit alors à l’apparition

Essen & Parry 10-10 Horloges optiques

10-11

10-12 Peignes femto 10-13 Redéfinition de la seconde 10-14

5. Évolution de l’exactitude des horloges atomiques 10-15 depuis les années 50. En noir : les horloges à césium. "Exactitude" relative On note la redéfi nition de la seconde, à partir de la Horloges à Cs Fontaines atomiques 10-16 transition entre deux niveaux hyperfi ns de l’atome de césium 133 en 1967, puis l’amélioration signifi cative apportée par les atomes froids (fontaines atomiques) à 10-17 partir de 1993. En bleu : les horloges optiques avec l’espèce atomique utilisée. Depuis 2008, ces horloges 10-18 sont les plus exactes : horloges à ions piégés (Al+, Hg+), 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 horloges à réseau optique (Sr, Yb). Année

50 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Celle-ci est basée sur une est confibasée Celle-ci guration optique. réseau à l’horloge de H.Katori il a fallu attendre 2001 et la proposition par ce problème, Pour ions. les contourner pour utilisés ceux de comparaison en intenses extrêmementsont requis champs les mais optiques, réseaux des dans froids atomes optiques. horloges les pour neutres atomes des utiliser pour forte très del’horloge. existeIldonc unemotivation considérablement les fl deuctuations ces particules et ainsi en principede réduirefréquence souhaitable,puisqu’on moyennersignaux alorspeutles hautement est référence de particules de nombre grand d’un disposer Or, horlogesfonctionnent ionunique.avecun ces pratique, en et, ions ces de mutuelles perturbationsdes entraînecharge cette de lemontre la fi gure5. Toutefois, la présence horloges les plus exactes au monde, comme d’étude sontlesdepuispeuet70 annéesdepuis les domaine un constituent piégés ions à horloges Les faibles.extrêmement champs des avec piégeage le permettant de ces particules la charge ions, des pour œuvre référence. de transition la modifide ne fréquence atomes, la pas e en tout des mouvement qui, le fortement piège contraignant un réaliser d’horloge. à Reste transition la sur négligeable effet un ont motionnelles résonances ces fréquence, (c’est-à-dire en séparables) identifi et résolues ables Étant principale. résonance la de à différentes fréquences situées des supplémentaires résonances de On a vu plus haut comment piéger des piégercommenthaut plus vu a On en mettre à relativement facile est Cela très très

voie à des horloges optiques à atomes atomes à 10 atteindrait dont l’exactitude optiques froids horloges la des à ouvrant et voie concept ce ainsi validant au SYRTE que les perturbations des des perturbations niveaux les deux que SYRTE au expérimentalement montré avons Nous n’est modifi pas ces niveaux entre alors ée. d’horloge. transition la constituant deux d’énergie les niveaux pour identique rigoureusement due au piège est où perturbation la astucieuse d’horloge, on dispose d’informations d’informations dispose on d’horloge, la sur fréquence de de l’effet ces interactions mesure la Par froids. atomes entre collisions des l’étude est en exemple Un mentale. fonda- recherche la retour en nourrir pour égal sans mesure de matière-rayonnement, outils des constituent l’interaction et quantique le sur contrôle fondamentales très recherches de application froids, atomes à performances. meilleures le césium ne permettant plus d’atteindre les de à redéfiterme inévitable sera la seconde Une nir piégés. ions conséquence à directe de ces progrès est qu’il horloges meilleures s’approche des et froid césium des à horloges celle surpasse exactitude Leur ! cative signifi - d’amélioration marge d’une encore tout en les plus les disposant stables, horloges et du SYRTE en France, sont d’ores et déjà États-Unis aux JILA duet NIST ducelles froids. d’atomes types divers avec horloges, le ce monde à développent travers ratoires de labo- Plus d’une dizaine relative. valeur Il est intéressant de noter que ces horloges que de ces noter intéressant est Il Lesmeilleures horloges à réseau optique, La fréquence de la transition transition la de fréquence La identiques à 10à identiques sont - 7 - près, près, - 18 - en s ,

(Courtoisie : André Clairon et Roland Barillet, SYRTE.) Barillet, Roland et Clairon André : (Courtoisie modifide cours en l’horloge : droite À cation. la de l’effet sous gravitation. aller-retour trajet leur micro-onde pendant signal un par fois deux interrogés sont verticalement lancés ultra-froids atomes Des Paris). de Horloge 6. à fontaine de césium (SYRTE, Observatoire réseau. du ment élevées pour les maintenir localisées sur les sites suffisont particules entre répulsives interactions sam- les lorsque isolant un comme comporte se qui mais être conducteur devrait dans le cadre qui de la théorie matériau des bandes, un est Mott de isolant Un (3) moment. même au endroit même au trouver se de état même de fermions deux à interdit qui Pauli, de principe du conséquence une est Ceci (2) magnétique. champ de gradients des et inverse sens en propageant se lasers faisceaux de paires des combine magnéto-optique piège Le (1) optiques à ions ou à atomes piégés. piégés. atomes à ou ions à optiques horloges des cours l’espace en dans envoyer déjà pour et d’ores sont liminaires pré- études des terme, long plus à d’expé- riences génération deuxième une Pour le CNES et de l’Agence dans Spatiale Européenne. du ACES et PHARAO projets des cadre internationale spatiale station la de bord de à orbite sur froids mise sera atomes césium à horloge une 2014, l’horizon À interactions nature. la de autres fondamentales les et gravitation la à unifi cherchant outhéories des er générale relativité la de vérifiprédictions les ainsi er et de ou solaire, du restre à système l’échelle ter- orbite en potentiel variées très de gravitationnel conditions possibilité la des offrent d’explorer ils ; l’espace dans en au moyen de d’horloges est les réaliser mesure l’on si envisageables sont encore comparaisons. ces effectuées sont où l’instant de etlieu du indépendanteconstante, une et est de s’assurer relative que leur fréquence différents, atomes des sur basées horloges des répétée manière de comparer de est d’équivalence ce principe de tester manière Unechutelibre. la de l’universalité de ou lumière la de vitesse la de d’isotropie tests des complémentaires horloges, des avec d’Einstein d’équivalence du principe les tests par donnéexemple autreest Un etc. mes, ato- des fermionique ou bosonique nature la de et quantiques corrélations des rôle dégé del’étude la de par dynamique gaz quantiques obtenues celles de complémentaires Refl ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 Des tests fondamentaux plus riches riches plus fondamentaux tests Des nérés – amplitude de ces interactions, cesde amplitudenérés – u gnrl d l’horloge. de générale vue : gauche À ❚ de spin

51 Mesures de grande précision

fondamentale. physiqueencorela ou géophysique,la métrologiela d’application,telsque nombreuxdechamps instrumentsces possèdent navigation,la de Au-delà hautetrès sensibilité.de – tres accéléro– capteursinertielsatomiques notammentpourréaliser des exploitésatomes.sontIlsaux Brogliede associées decontrôlée ondesles remarquablementfaçon de manipulerpermettentde atomique,qu’ilsparce expériencesd’interférométrie nombreusesde dansclé élémentunsont lasers Les mètres et gyromè- mètreset

Historique Paris 75014 l’Observatoire, de avenue 61 Paris, de Observatoire UPMC, et CNRS (SYRTE), temps-espace référence de Systèmes et Landragin Arnaud : laser Le fistructure de ultra-froids. d’atomes recul de vitesse la mesurant en ne, constante la de détermination la pour LKB au utilisé titane-saphir, laser d’un pompage le pour optique Système manipuler les ondes de matière. de ondes les fallu manipuler a qu’il et développer évidence, en mettre à propriétés ondulatoires ont été plus diffi ciles cesconçoit quelors,On mètre).bien,dès micro- du l’ordre de est (qui visible le dans d’ondedurayonnement électromagnétique qui est beaucoup plus faible que la longueur ’rr due ian d picomètres de dizaine d’une l’ordre Broglie ; celle-ci est donnée par par donnée est celle-ci ; Broglie d’onde de de dite la longueur par ondulatoires, caractérisées propriétés des atomes aux et particules aux d’associer proposé a qui la physique quantique, par Louis de Broglie, d’un siècle, à l’époque du développement de dualede la matière a été nature énoncée il y a près la Pourtant, beaucoup. pour voir est plus diffi des matériels objets à cile conce- avec phénomènes analogues des imaginer optique, en d’interférences travers au culaire specta- de façon se manifeste qui lumière, la estfamilieravec le caractère ondulatoire de natureondulatoire de lamatière. Si chacun ques centaines de degrés Celsius), Celsius), degrés de centaines ques à quel- (typiquement jet un effusif dans four un depuis émisatomesmolécule. lesPour pulsion où pour l’interférométrie atomique l’interférométrie pour L’interférométrie atomique exploite la la exploite atomique L’interférométrie h est la constante de Planck et et Planck de constante la est de la particule,ladel’atomede oula de e otl séi us pour spécifi ques outils des ([email protected]) Santos Dos Pereira Franck un outil de choix de outil un Λ Λ dB dB p = est de l’im- (1) ce , h/p ,

rapidement révélés plus performants. plus révélés rapidement sont se et démontrés, été également ont lasers des utilisant atomiques féromètres interféromètres premiers atomiques tout des un pour puis type, ce de des réseaux trois de l’aide à créer, diffraction, d’abord de réaliser expériences pour utilisés été ainsi ont nm, 200 de fentes de nanofabriqués, constitués Des transmission de micromètres). réseaux plusieurs atteindre peut (qui bien collimaté très jet atomique un dans d’atomes de cohérence transverse longueur la que exemple, par faible, plus bien de 100 l’ordre nm), (de taille petite très de fentes…) (trous, structures des en effet présentent objets Ces matière. de ondes l’aide à matériels desquels objets des à parvenir fabriquer pour nanotechnologies, des attendre la fila attendre n du a fallu il Mais cristalline). surface une sur d’hélium (réfl d’atomes atomes exion des avec puis 1945…), en neutrons de 1927, en d’électrons (diffraction d’abord taires élémen- avecparticules des matière, de la après. ondulatoire caractère le peu montré ont Elles réalisées été optique, néanmoins en ont diffraction de expériences Cette même année, les premiers inter- premiers les année, même Cette Plusieurs expériences, analogues aux aux analogues expériences, Plusieurs Refl ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 on peut faire diffracter des des diffracter faire peut on en 1991. en Jean-François DARS Jean-François © XX e siècle, et l’avènement et siècle, >>>

53 Mesures de grande précision >>> Port de sortie 2 Des lasers pour manipuler Miroir Séparatrice Port de sortie 2 les paquets d’ondes atomiques Miroir Séparatrice L’outil de choix pour manipuler les ondes Port de sortie 1 de matière, c’est le laser. Ici, les propriétés Onde lumineuse intrinsèques du laser (directivité, mono- Port de sortie 1 chromaticité, possibilité d’en déterminer Onde lumineuse la longueur d’onde avec exactitude), ainsi Séparatrice Miroir a que la compréhension fi ne de l’interaction matière-rayonnement, sont les éléments Séparatrice Miroir clés pour une manipulation parfaitement contrôlée des ondes de matière. Par exemple, une onde stationnaire, obtenue par la rétroréfl exion d’un faisceau laser sur lui- Onde de matière même, crée pour les ondes de matière un milieu analogue à un réseau d’indices, dans Onde de matière lequel le potentiel d’interaction atome-laser est modulé spatialement et sur lequel les Laser ondes de matière diffractent. Cette diffraction b est liée à des processus d’absorption et Laser d’émission stimulée de photons dans l’onde 1. Analogie entre un interféromètre optique de type Mach-Zehnder (a) et un interféromètre atomique (b), stationnaire (encadré 1). En effet, lorsqu’un dans lequel les atomes sont placés dans une superposition quantique de deux trajectoires séparées spatialement puis atome absorbe (ou émet) un photon, il recombinées. Dans l’interféromètre atomique, les fonctions analogues aux séparatrices et miroirs de l’interféromètre acquiert (ou cède) non seulement l’énergie optique peuvent être réalisées à l’aide de brèves impulsions laser (ici au nombre de trois, voir l’encadré 1). Entre les du photon, mais aussi son impulsion, ce qui impulsions lasers, les paquets d’ondes voyagent librement. Les chemins correspondant aux deux états d’impulsion permet de le défl échir. Du point de vue sont représentés par des traits de couleurs différentes. quantique, l’interaction avec les lasers permet alors de placer l’onde atomique dans une Diffraction d’une onde atomique sur une onde stationnaire superposition de deux paquets d’ondes Encadré 1 partiels, qui se séparent spatialement.

LaserLaser hkh1k1 Comment réaliser un interféromètre atomique ? On peut exploiter l’analogie pp avec les ondes lumineuses et concevoir, hkhk AtomeAtome 11 par exemple, un interféromètre de type

p p+ +h (kh 1(k –1 k–2 k) 2) Mach-Zehnder (ﬁ g. 1). Dans sa version pp optique, cet interféromètre est constitué – –h kh2k2 d’une première lame séparatrice qui permet de diviser l’onde lumineuse, puis de deux miroirs qui redirigent et recombinent les LaserLaser hkh2k2 ondes lumineuses sur une seconde lame séparatrice. L’intensité dans chacun des deux Le processus peut s’expliquer classiquement comme l’effet d’un échange de photons ports de sortie est alors modulée en fonction entre les deux faisceaux laser formant l’onde stationnaire (figure de gauche). Un atome de la différence de phase accumulée le d’impulsion initiale p absorbe un photon dans un des faisceaux laser. Il encaisse alors, long des deux chemins optiques. Dans la version « matérielle » de l’interféromètre, par conservation de l’impulsion, l’impulsion hk1 du photon absorbé. Puis il se désexcite par émission stimulée en réémettant un photon dans le deuxième faisceau. Il encaisse les paquets d’ondes atomiques sont séparés,

alors par effet de recul l’impulsion – hk2. Au final, ces deux contributions s’ajoutent en redirigés et recombinés à l’aide d’éléments

valeur algébrique, parce que k1 et k2 sont orientés dans des sens opposés (ce qui se traduit jouant le rôle des séparatrices pour les pour les expériences décrites dans cet article, par un changement de vitesse de l’ordre ondes de matière, et qui sont réalisés avec du cm/s). des objets matériels (comme des réseaux D’un point de vue plus quantique, le paquet d’ondes atomiques est diffracté par l’ap- nanofabriqués) ou avec des faisceaux plication d’une brève impulsion de l’onde stationnaire, et se retrouve après l’interaction lasers (comme l’onde stationnaire décrite avec les lasers dans une superposition cohérente de deux paquets d’ondes partiels, qui ci-dessus). Dans tous les cas, les deux ports diffèrent par leur état d’impulsion, et qui vont se séparer spatialement (figure de droite, de sortie correspondent à des états d’im- sur laquelle le paquet d’ondes transmis est représenté en rouge, et celui défléchi en bleu). pulsion différents. Le déphasage en sortie En réglant les paramètres de l’impulsion laser (durée, puissance), on peut ajuster le flux d’interféromètre s’obtient alors en mesurant relatif d’atomes dans le paquet d’ondes diffracté et réaliser ainsi les analogues pour les les ﬂ ux d’atomes dans les deux ports de ondes atomiques de la lame séparatrice et du miroir. sortie, qui sont modulés en fonction de la

54 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 modifi ées par les forces d’inertie, par par d’inertie, sont forces qui les Le par modifi atomiques, ées d’ondes diffractés. paquets des positions des donc dépend atomiques déphasage d’ondes paquets les sur s’imprime laser les faisceaux entre phase de différence la Raman, impulsions des Lors lasers. les avec tion l’interac- de provient d’inertie forces aux fl de mesure [2]. une uorescence par l’atome de électronique l’état fait en duquel on détecte à sortie la Mach-Zehnder, féromètreà trois impulsions, à un similaire inter- un réaliser On peut ainsi de l’atome). hyperfisous-niveauxles entre stimulées ns Raman transitions de parle (on interne état pulsion d’im- changement au d’associer permet Ceci différentes. légèrement fréquences lasers se propageant faisceaux en sens contraires et deux de de l’aide à réalisée ment, en mouve- avec onde une stationnaire mais fi stationnaire xe, onde une avec pas non interagissent rubidium) ou (césium utilisés teurs inertiels atomiques, les atomes alcalins que Terre). la de rotation faible la de celle aussi rotation de vitesse une de l’ordre de accélération une pour de radians de centaines milliers (plusieurs grands très sont atomes refroidis par lasers [1], ces déphasages des en utilisant d’obtenir est possible qu’il millisecondes, de centaine de d’une l’ordre l’interféromètre dans atomes les par Mesureforcesdesd’inertie féromètre de d’inter- géométrie Cette bras l’interféromètre. par deux dans matière accumulées de ondes les phases des différence orientée, défi nie par les deux bras de de bras deux l’interféromètre les par défi nie orientée, l’aire à perpendiculaire axe d’un autour rotation de vitesse la à et lasers, faisceaux le des long proportionnelle à l’accélération simultanément est l’interféromètre de bras le deux long des de matière ondes les En par rotations. accumulée de phase différence la effet, aux et accélérations aux également sensible est atomique Zehnder sont Mach- de ils interféromètre Un embarqués. lesquels sur mobiles engins des rotation de vitesses les et accélérations les mesurer pour utilisés couramment ments inertiels atomiques, que nous allons allons nous que ci-dessous. décrire atomiques, inertiels Dans cette confi guration, la sensibilité sensibilité la confi cette guration, Dans cap- de expériences des plupart la Dans e cper ietes ot e instru- des sont inertiels capteurs Les de l’atomesonchangementde de un est notamment celle des capteurs des celle notamment est g , et quelques radians pour pour radians quelques et , (2) . Pour une durée passée . Pour passée une durée

et mesurer ce changement de vitesse, on vitesse, de changement ce mesurer et réaliser pour utilisés lon- lasers des d’onde la gueur de précise connaissance la à Grâce mesure. permet la de qui sensibilité ce la d’augmenter cycles, ces de grand nombre un après vitesse de changement au lié Doppler l’effet mesurent expériences pratique, ces En atomiques. séparatrices les dans un stimulée après cycle d’absorption-émission atomes, des recul de vitesse la mesurer pour utilisé est interféromètre un expériences, ces Dans [4]. électrons les et les photons entre la force de couplage régit uniquement l’accélération de la pesanteur. la de l’accélération uniquement mesure et l’interféromètre nulle est physique l’aire verticale, la de long le lasers orientés sont les mesures lorsque de exemple, Par types (ﬁ 2). g. deux les instruments permettant des ou gyromètres des mètres, des on accélé des atomes), peut réaliser des faisceaux (l’orientation l’interféromètre de géométrie la Suivant vol. de au temps du carré l’accélération, pour faisceaux comme aux et, laser orthogonal plan le atomes des dans vitesse la à proportionnelle ; bras des spatiale la par séparation au de la produit longueur à c’est-à-dire physique, l’aire proportionnel impulsion. dernière est le déphasage la rotation, d’une le cas Dans et première la entre vol de temps du carré propor- au donc tionnelle est et laser, faisceaux des la direction suivant des atomes déplacement le comme croît l’interféromètre de bilité la de mesure. l’exactitude garantit qui laser, du d’onde longueur de la connaissance bonne à la grâce ces déplacements, pour mesurer ici le rôle d’une règle extrêmement précise jouent lasers les Finalement, des chacune impulsions. à atomes les par vues laser phase de différences des linéaire binaison com- une comme l’interféromètre simplement s’exprime de sortie phase en de atomique différence La laboratoire. du de qui sont phase des lasers, auliés différence référentiel d’égale plans aux rapport fondamentale Mesuresmétrologieen de structure ﬁ structure de ne constante la de directe mesure la concerne applications ces de première La mentale. fonda- métrologie la pour outils cellents d’ex- sont atomiques interféromètres les Dans le cas d’une accélération, la sensi- la accélération, d’une lecas Dans Grâce au caractère exact de leurs mesures, de leurs exact au Grâce caractère laser par rapport à la trajectoire trajectoire la à rapport par laser (= (= α

a sensibilité est donc donc est sensibilité la e 2 / hc

1/137), qui 1/137),≈ qui ro-

t e oain n obnn ls eue ds deux des instruments. mesures les combinant en rotation de et de vitesse la rotation, à on peut séparer les déphasages et d’accélération l’accélération à fois la à sensible est deux interféromètre chaque les Si sur simultanément. boules laser impulsions mêmes les en utilisant interféromètre, double un réalise on trajectoire, la de l’apogée À parabolique. trajectoire une selon et haut le vers l’autre, vers l’une lancées froids d’atomes (30 instrument même un dans d’inertie axes les tous suivant rotation de vitesses les et accélérations les Capteur inertiel ayant 2. la possibilité de mesurer rapport rapport le recul de vitesse de mesure la de déduit a oprio a nva d 10 de niveau au comparaison La ailleurs). par connues bien l’électron, de celle à l’atome de masse la de rapport du et lumière la de vitesse la de Rydberg, de constante la de part, d’autre et, rapport ce de d’une part, en fonction, peut exprimer de ﬁmesure et une nalement gravitationnelle d’un élément massif situé situé massif élément d’un gravitationnelle de l’attraction l’effet interféromètres, deux des signaux des de la différence de déduire, possible est il nuages, deux des l’accélération mesurer pour lasers faisceaux mêmes les simultanée façon de utilisant En lement. vertica- en d’atomes et chute séparés libre de nuages deux différentielle l’accélération tion actuelle. l’heure à quantique, l’électrodynamique de la théorie de de contraignant plus permet le test le réaliser l’électron, de magnétique gyro- façon rapport du de l’anomalie de indirecte extraite valeur la à de effectuée, mesure la de relative valeur Reﬂ ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 Une mesure de la constante de gravita- de constante la de Une mesure 50 cm 50 × peut également être déduite de de déduite être également peut G h / 2 M [] C dsoii uiie ex boules deux utilise dispositif Ce [3]. ) , où M est la masse de l’atome, de masse la est (que l’on (que α ainsi ainsi α 9 - >>> en en

55 Mesures de grande précision >>> entre eux. Les premières expériences ont et l’effet Hall quantique, pourvu que l’on dans le temps et en fonction de la position donné des résultats au niveau de 10- 3 en connaisse par ailleurs de façon exacte et en (encadré 2). Par rapport aux gravimètres valeur relative sur la mesure de G [5] ; temps réel l’accélération de la pesanteur conventionnels, fondés sur la mesure de elles laissent espérer atteindre rapidement locale, g. Dans le cadre de l’expérience la chute d’un objet macroscopique, ce type le même niveau que les expériences utilisant française de balance du watt, cette mesure d’instrument ne comporte pas de pièces des balances de torsion (10- 5), ce qui est réalisée à l’aide d’un interféromètre mobiles sujettes à une usure ou une permettra de confronter des mesures atomique utilisant des atomes de rubidium déformation. L’utilisation d’interféromètres obtenues à l’aide de technologies radica- refroidis par laser (encadré 2). Lorsqu’ils atomiques ouvre la possibilité de nou- lement différentes. sont lâchés, les atomes tombent le long de veaux instruments plus transportables. L’utilisation de gravimètres atomiques la verticale, direction suivant laquelle Par ailleurs, l’utilisation de gravimètres pourrait également jouer un rôle important sont appliquées les trois impulsions laser. atomiques est également envisagée en dans la redéfi nition du kilogramme, qui est Cet instrument, bien qu’encore en phase recherche pétrolière et minière, pour la la dernière unité du système international de développement, atteint aujourd’hui gestion des ressources aquifères ou le (SI) défi nie par un artefact macroscopique. une exactitude relative de quelque 10- 9, suivi des montées magmatiques précédant Suivant l’évolution moderne de redéfi nition comparable à l’état de l’art, qui devrait une éruption volcanique. des unités SI à partir de constantes fonda- être bientôt dépassé. mentales, il est proposé d’utiliser une Tests de la gravité expérience dite de « balance du watt » Applications en géophysique pour défi nir le kilogramme à partir de la Les diffi cultés rencontrées dans les constante de Planck h. Dans l’une des L’utilisation de gravimètres de très modèles théoriques de grande unifi cation, deux étapes de cette expérience, en cours grande exactitude dépasse largement celle et les observations récentes en astronomie, de réalisation au Laboratoire National de de la balance du watt, puisqu’elle ouvre un semblent indiquer que les lois de la rela- Métrologie et d’Essais(3), la force de domaine d’application très prometteur tivité générale sont incomplètes. Il est pesanteur exercée sur une masse (nomi- pour les interféromètres atomiques en donc nécessaire de réaliser des tests expé- nalement de 1 kg) est compensée par la géophysique. Ces mesures permettent aux rimentaux des lois de la gravitation à force de Laplace subie par une bobine, géophysiciens d’avoir accès aux anomalies différentes échelles, afi n de contraindre parcourue par un courant placé dans un de gravité, et donc d’améliorer la com- au maximum les différents modèles. La très champ magnétique. La bobine étant liée préhension de la structure interne de grande sensibilité des capteurs inertiels mécaniquement à la masse, les mesures notre planète [6]. En effet, le gravimètre fondés sur l’interférométrie atomique, et électriques permettent de relier la masse atomique est un instrument permettant de leur capacité à réaliser des mesures exactes, à la constante de Planck, via les effets mesurer de façon très fi ne les variations en font d’excellents candidats pour ces fondamentaux que sont l’effet Josephson de l’accélération de la pesanteur, à la fois tests. Différents types d’expériences sont

Mesures de l’accélération due à la pesanteur Encadré 2

Les interféromètres atomiques permettent de mesurer de façon exacte l’accélération due à la pesanteur, g. L’unité utilisée ici est le µGal (1 Gal = 1 cm/s2 et 1 µGal = 10- 8 m/s2 ≈ 10- 9 g). Les données de gauche, enregistrées à Trappes (Yvelines) pendant quatre jours consécutifs, 1000 représentent les fluctuations de g autour de la 100 valeur moyenne de 980890742 µGal (chaque 500 50 point représente une moyenne sur une durée de 2’45”). Ces fluctuations, liées aux marées luni- 0 0

solaires, sont comparées à un modèle géophysique δ g( μ Gal) δ g( μ Gal) – 50 (courbe bleue). – 500 Ces appareils sont extrêmement sensibles et – 100 détectent les ondes sismiques générées par des – 1000 tremblements de terre provenant de l’autre côté de 05/10 06/10 07/10 08/10 09/10/2009 00:28 00:43 00:57 01:12 01:26 la Terre, comme celui survenu le 7 octobre 2009 Temps (jours) Heure près des îles de Santa Cruz dans le Pacifique Sud (voir la courbe de droite, où l’on a représenté le signal brut de l’interféromètre atomique, sans effectuer de moyenne).

56 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Atomic Sensors) se de propose rechercher Sensors) Atomic SAGAS projet using Gravitation le Anomalous for (Search exemple, depuis Par à Européenne 2000. notamment Spatiale proposés, l’Agence été déjà relativité ont la de tests de projets Plusieurs d’interaction. temps du carré le comme croît qui interféromètres, des sensibilité la donc et mesure de temps le largement très d’augmenter permettant que le satellite, chutent en atomes librement même temps les puisque de tests, ce type pour prometteur très environnement un l’espace. est dans L’apesanteur expériences des travers à grande micromètre. du l’ordre de face atome-sur- distances des à surface, d’une voisinage au laser par piégés atomes des ave mais en plus avec chute atomes libre, des non atomiques, séparatrices de méthodes avec sont Ces les réalisés même interféromètres macroscopique. corps un un et entre atome distance, la courte de à lois gravitation les précédent sans sensibilité d’interféromètres atomiques types nouveaux de solaire. des système du à celles à comparables distances microscopiques d’échelles allant envisagés, sont ou réalisation de cours en  a aler, e tss e a rvt à gravité la de tests des ailleurs, Par Par exemple, le développement en cours (2009) 353). On a représenté le nombre normalisé d’atomes dans un des ports de sortie, en fonction du déphasage lié à l’accélération à lié déphasage du gravité. de présence en fonction visibles pas sont ne en franges Les macroscopique. sortie, accéléromètre d’un l’aide à de évaluée résiduelle ports des un dans d’atomes normalisé nombre le représenté a On 353). (2009) testée est lesquelles durant secondes Stern (G. zéro-g phases les vingt pendant atomiques d’interférences franges les montre droite de de figure La l’expérience. plus de d’apesanteur périodes des d’obtenir permettant paraboliques vols des réalise qui gauche), de (photographie » zéro-g « avion un dans installée est L’expérience CNES. le par soutenue Paris, de l’Observatoire et l’ONERA Des d’interaction. temps grands études expérimentales très préliminaires sont en cours, notamment dans le cadre du de projet ICE, qui est une collaboration entre l’Institut l’utilisation d’Optique, par offerte l’espace, dans interféromètres des sensibilité grande très la de et terrestre gravité de champ du bénéficier pour Terre, la de proche orbite en réalisé serait test Ce libre. chute en deux toutes espèces différentes, deux atomiques par subies accélérations les entre différence la mesurant en effectué être peut » faible « d’équivalence principe du test Un Test du principe d’équivalence « faible » faible « d’équivalence principe du Test distance sont envisagés, notamment permettra de tester avec une une avec tester de permettra c s

atomiques cohérentes et, notamment, des des notamment, et, cohérentes atomiques au développement grâce présente, de sources se d’expériences génération nouvelle une déjà Mais l’interféromètre. de séparatrices des des réalisation la pour surtout et refroidissement atomes, le pour fréquence en contrôlées bien très lasers sources de l’utilisation à liées pro- clairement sont priétés Ces exactitude. et stabilité grande de mesures des effectuer à capacité la de provient applications ces pour essentielle qualité Une d’ondes atomiques. gravitationnelles détecteurs le de comme doute, développement aucun sans applications suivront D’autres gravitation…). la le corps qui tombe (encadré 3). (encadré tombe qui corps le soit que quel égales, sont gravitationnelle masse la et inertielle masse la que postule qui », faible « d’équivalence principe du solaire. test un sur Système portent propositions D’autres du conﬁ ns aux ques atomi- en envoyant des capteurs distance, grande très à gravité la de anomalies des Conclusion de physique fondamentale ( fondamentale physique de grandeurs des et, part, d’autre et rotation) accélération (gravité, d’inertie forces les d’une part, concernant, de précision mesures de domaine nouveau un créé a atomique Le développement de l’interférométrie l’interférométrie de développement Le α , G , test de de test , Nombre d'atomes normalisé 0,56 0,60 0,64 0,68 0,52 0,48 0

Déphasage d'accélération résiduelle(rad) du laser en optique, il y a maintenant maintenant a y ans. cinquante il optique, en laser du l’arrivée à liés ceux à similaire succès un [1]. On lumière peut donc en espérer physique atomique la pour laser du atomes les pour sont qui à l’équivalent atomes, lasers pilotage général de la métrologie française. métrologie la de général pilotage du notamment chargé public, établissement un est (3) Sagnac. l’effet c’est : optique en connue bien est rotation de vitesse la à sensibilité Cette (2) micromètre. du l’ordre de grandes, plus d’onde beaucoup Broglie de de longueurs des atteindre peut on [1], numéro), (voir même froids ce dans P. et Lemonde Leduc M. de atomes l’article des qu’avec noter À (1) • 6 pesanteur de champ du Mesure « Diament, M. • 5 • 4 • 3 • 2 Bordé, J. Ch. réseaux : froids Atomes « • Lemonde, 1 P. et Leduc M. Références 2 Reﬂ ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 Le Laboratoire National de Métrologie et d’Essais et Métrologie de National Laboratoire Le optiques et horloges », dans ce numéro, p. 46. p. numéro, ce dans », horloges et optiques et Fixler J.B. 32-37. (2007) 20 Pereira Dos Landragin, Santos F. et A. , R 1814 (2005). 1814 R dimensionnelles, et », restre P. Cladé P. 4 Techniques de l’Ingénieur, Mesures mécaniques Mesures l’Ingénieur, de Techniques et al., al., Physics Letters, Physics 6 Phys. Rev. Lett., Rev. Phys. ❚ Science, et al., et 8 (2007) 74-77. (2007) 315 Eur. Phys. J. D, J. Phys. Eur. (1989) 10-12. (1989) A140 10 (2006) 033001. (2006) 96 Physics World, 12 Encadré 3 Encadré 53 ter-

57 Mesures de grande précision Cette quatrième et dernière partie donne un aperçu de la myriade d’applications pratiques des lasers. Les lasers ont apporté une véritable révolution en médecine. La première illustration en est donnée avec la mise à profit de leur cohérence optique pour l’imagerie du corps humain (Claude Boccara). L’article de Serge Mordon nous propose ensuite quelques exemples récents de leur utilisation thérapeutique. Puis, Mehdi Alouini explique pourquoi les télécom- munications optiques n’ont pu se développer que grâce au laser à semi-conducteurs. Le domaine de l’environnement bénéficie également des lasers, comme nous le montrent Jean-Pierre Cariou et Laurent Sauvage avec les lidars atmosphériques. Depuis plusieurs décennies, l’industrie et les “process” sont d’immenses champs d’application des lasers, dont Philippe Aubourg, François Fariaut, Patrick Mauchien et François Salin présentent ici deux exemples. Enfin, le laser peut aussi devenir un outil pédagogique et une source d’inspiration pour l’artiste, comme l’illustrent les fontaines laser décrites par Sébastien Forget, Christophe Daussy et Paul-Éric Pottie.

Imagerie Lidar des glissements d’Avignonet et L’Harmalière, dans la région du Trièves, Alpes françaises. Depuis un hélicoptère, on procède à un balayage laser de la zone à étudier ; le retour du signal permet de déterminer la distance du sol. La région représentée ici couvre une superficie de 300 km2, et se caractérise par la présence d’une épaisse couche d’argile affectée par de nombreux glissements de terrain. On obtient une image de grande précision, qui permet de voir avec une résolution de 10 cm les limites des glissements, ainsi que les lignes de ruptures secondaires, internes aux deux glissements. (Laboratoire de géophysique interne et technophysique, Grenoble.) © CNRS Photothèque / LGIT / UJF / INSU. Quelques exemples d’application des lasers La cohérence de la lumière et l’imagerie des tissus du corps humain A. Claude Boccara ([email protected]) Institut Langevin (ESPCI-ParisTech – CNRS – UP6 – UP7 – INSERM), ESPCI, 10 rue Vauquelin, 75231 Paris Cedex 05

L’optique s’impose comme La lumière peut traverser les tissus du Cohérences et découpage spatial un outil de choix dans le corps humain, sauf dans le bleu et le vert où l’absorption du sang est importante, Le domaine des ondes (et l’optique en monde biomédical. mais il n’est pas possible d’observer les particulier) fait appel à deux types de En particulier le laser, par ses structures autres que superfi cielles. Ainsi le phénomènes pour défi nir la cohérence. médecin examine-t-il la peau à l’œil nu ou propriétés uniques, se révèle à la loupe, ou muni d’un endoscope pour La cohérence spatiale est liée à la possibilité irremplaçable pour la thérapie, profi ter des ouvertures naturelles du corps de focaliser un faisceau lumineux sur une humain. En effet, voir sous la surface se toute petite surface dont la taille est voisine mais aussi pour l’imagerie. révèle délicat, car les tissus diffusent très de la longueur d’onde : c’est la limite de Nous avons cherché ici fortement la lumière ; lorsque l’on souhaite diffraction. Si cette limite n’est pas atteinte réaliser une « coupe virtuelle », c’est-à-dire avec les objectifs photographiques qui à illustrer deux notions qui non invasive, pour observer par exemple présentent trop d’aberrations, elle l’est sont souvent évoquées l’intérieur d’un grain de beauté sans prélè- couramment avec les objectifs de micro- vement, il faut alors utiliser quelques-unes scopes qui permettent de focaliser un quand on parle de laser : des possibilités offertes par les lasers dans le faisceau laser visible sur un spot dont le la cohérence spatiale domaine de l’imagerie médicale. rayon est inférieur au micromètre. Notons Aujourd’hui, plusieurs approches permet- que si on voulait réaliser la même expérience et la cohérence temporelle. tent d’accéder aux structures cellulaires situées avec un faisceau issu d’une autre source dans la profondeur des tissus et d’obtenir des (incohérente spatialement), la puissance Nous montrons sur deux images à l’échelle du micro scope optique, lumineuse que l’on pourrait focaliser sur le exemples (la microscopie c’est-à-dire avec une résolution de l’ordre même spot serait mille à un million de fois du micron et un champ d’observation de moins élevée qu’avec un laser. confocale et la tomographie l’ordre du millimètre. C’est cette très bonne focalisation qui est de cohérence ou OCT), Nous décrirons brièvement ici quelques- mise à profi t dans la microscopie confocale : unes des méthodes les plus employées ces la fi gure 1 montre le principe de fonction- qui ont leur place dans dernières années, qui ont largement contri- nement d’un tel microscope. Le laser est les laboratoires et les hôpitaux, bué au développement de la biologie, mais focalisé sur un diaphragme de petite taille, encore peu à celui de la médecine. Nous qui est lui-même focalisé par un objectif de comment on peut réaliser des ferons appel à deux propriétés des sources microscope dans la profondeur d’un images qui sont de véritables lumineuses et en particulier des lasers : la échantillon à examiner. La lumière de cohérence spatiale et la cohérence tempo- fl uorescence ou de rétrodiffusion, qui est coupes virtuelles, non invasives relle. Dans le premier cas, la « coupe » est issue des couches qui ne se situent pas dans et non destructives, obtenue par un effet géométrique ; dans le le plan de mise au point, est fortement second, nous décrirons une méthode qui tire atténuée, car elle ne se focalise pas sur le dans des cellules ou des tissus profi t des interférences dans un contexte diaphragme de sortie qui est placé devant le du corps humain. très inhabituel : au lieu de travailler avec des détecteur (le plus souvent un photomulti- composants optiques de qualité (comme plicateur). En balayant, à l’aide de miroirs les surfaces de miroirs), nous travaillerons (non représentés sur la fi gure), le plan de mise avec les milieux « optiquement sales » que au point, on obtient l’image d’une « coupe » constituent les tissus du corps humain. de l’échantillon.

60 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 du corps humain corps du et lumière la de cohérence La

l’imagerie des tissus des l’imagerie

260 nm et de résolution axiale (épaisseur de la « coupe ») 390 nm. Le diamètre d’une cellule est de 13 µm. 13 de est cellule d’une diamètre Le nm. 390 ») coupe « la de (épaisseur axiale résolution de et nm 260 transversale résolution de 100x, un est l’objectif ; optique Coupe fl(b) conventionnelle. Image (a) uorescents. 2. Images de cellules HEK (lignée de cellules de rein) diaphragme. ce par bloqués sont plans autres des issus signaux les ; détecteur le devant est qui diaphragme le par passent l’objectif de 1. Principe de la microscopie confocale : les signaux de fl uorescence ou de rétrodiffusion issus du plan focal flen optique microscopie de installation : vivant le sonder pour uorescence laser lumière La du planlocal Zones hors Z Diaphragme Filtre spectral X Volume étudié dont la membrane est marquée par des nanocristaux a Détecteur (photomultiplicateur) Miroir dichroïque Diaphragme de microscope Objectif Plan focal (IPBS, Toulouse). (IPBS, Laser

CNRS Photothèque / VIALA Françoise. VIALA / Photothèque CNRS © b

puissance est suffiest puissance sante. de densité la ou là microscope, du foyer la de lumière incidente qui fréquence ne se produisent qu’au la de harmoniques des engendrer ou multiphotoniques transitions des induire pour seconde) de milliardième l’impulsion dure quelques millionièmes de (dont » femtoseconde « dits lasers certains fournissent que grandes, très instantanées impulsions très brèves, donc des puissances Ces profipar à t mise également est carré mètre micro- au inférieure surface une sur laser et confocaux. d’endoscopes l’utilisation dermatologie la à l’application citons récente : parmi les succès de cette méthode, transgéniques, plus est médical diagnostic au l’application d’animaux l’utilisation à fldes par sélectif ou marquage uorophores au grâce biologie, la de progrès les pour déterminant été a confocale microscopie la de développement le si que cependant flnanocristaux des Notons par uorescents. marquée est qui cellules des membrane la situées hors du plan de mise au point. Ici, c’est compte du fl ou qui vient des zones qui sont » des sectionner cellules : « on peut se rendre confocale. microscopie la de l’objet là bien c’est : point au mise de plan du hors situées zones des issus sont qui signaux les par gêné être pas ne souhaite on d’intérêt, zone une observe Lorsqu’on elles-mêmes. des structures spécifiques au sein des cellules ou cellules des cibler peuvent etc.) centes, de flprotéines nanocristaux, colorants, uores- (molécules fl uorescents marqueurs les effet, en : biologie en routinier outil Cette possibilité de focaliser un faisceau un focaliser de possibilité Cette de possibilité cette illustre fi 2 La gure un fl est de uorescence microscopie La Refl ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 microscopies « non linéaires ». linéaires non « microscopies les éhds iet n ls profi des plus t en tirent méthodes >>>

61 Quelques exemples d’application des lasers >>> La cohérence temporelle est liée à la Lumière monochromatique monochromaticité de la source ou, ce qui Source est équivalent, à la possibilité d’obtenir des de lumière interférences avec de grandes différences de marche. La fi gure 3 représente le schéma de principe d’un interféromètre de Miroir partiellement Michelson : la lumière issue de la source Distance Z Miroir réfléchissant est séparée en deux par un miroir partiel- mobile lement réfl échissant ; elle se propage dans Lumière polychromatique Détecteur chaque bras, est réfl échie par des miroirs Z puis recombinée sur le miroir séparateur Longueur de cohérence où les deux faisceaux interfèrent. Avec les lasers, la différence de chemin peut atteindre le million de kilomètres ; à l’opposé, avec les lasers à impulsions très brèves dont Distance Z nous avons parlé plus haut, le domaine Miroir fixe d’interférences observable sera de l’ordre 3. Interférences en lumière monochromatique et polychromatique observables avec un interféromètre de quelques micromètres. de Michelson : dans le premier cas, on peut observer les franges avec des différences de marche très grandes (en haut à droite), alors que dans le second les franges s’amortissent rapidement (en bas à droite). C’est la faible cohérence temporelle qui est mise à profi t dans la tomographie de cohérence (dite OCT pour Optical Coherence Tomography), dont le principe Détection est représenté sur la fi gure 4. La lumière rétrodiffusée par une tranche de l’échantillon ne pourra interférer avec le faisceau de l’autre bras de l’interféromètre que si la différence de marche est infé- rieure à la longueur de cohérence (la lon- Source large Miroir gueur sur laquelle la lumière se propage spectralement de référence pendant la très brève impulsion ou le très faible temps de cohérence). Le balayage en (Déplacement : balayage axial) profondeur est obtenu par déplacement du miroir de référence. Chaque « voxel » (élément de volume), le long d’une colonne, rétrodiffuse un signal qui interfère avec ce 4. Montage de principe pour l’OCT : Échantillon qui revient d’une position particulière du le balayage axial est réalisé par dépla- Zone sélectionnée miroir de référence. Le détecteur mesure cement du miroir de référence, le balayage directement cet « écho ». On construit transversal par déplacement du faisceau ainsi une colonne ; un balayage mécanique ou de l’échantillon. (Balayage transversal) permet l’exploration transversale de l’échantillon et conduit aux coupes du type de celle qui est représentée sur la fi gure 5. Si l’épaisseur de coupe (résolu- tion axiale) est liée à la longueur de cohé- rence de la source, la résolution transversale reste limitée par la diffraction. C’est donc ainsi que sont réalisées des coupes de tissus. L’examen rétinien a été le premier succès de la méthode, aujourd’hui solidement établie en ophtalmologie (fi g. 5).

Il n’est pas toujours nécessaire d’utiliser des lasers pour faire de l’OCT ; par exemple, des diodes superluminescentes (lasers à 5. Examen de la rétine par OCT. À gauche : image du fond de l’œil avec son réseau de vaisseaux sanguins. semi-conducteurs que l’on empêche À droite : la coupe en profondeur prise par OCT le long de la ﬂ èche verte révèle les différentes couches de la d’osciller par un traitement antireﬂ et des rétine sur une épaisseur d’environ un demi-millimètre ; champ : 6 x 3 mm2, résolution transversale : 14 µm, faces) sont couramment utilisées dans les résolution axiale : 3,9 µm. (Image Michel Pâques, Hôpital des Quinze-Vingts, Paris.)

62 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 coupe virtuelle non invasive et sans l’état sans chirurgicale, opération une pendant et invasive contact, soit d’examiner en un temps bref, non virtuelle coupe une fois, une encore c’est-à-dire, optique, qualifipeut l’on que examen biopsie de er un faire de soit ici est but Le tumeurs. des dermatologie et le diagnostic préopératoire la sont OCT par d’études l’objet font qui domaines autres deux les l’ophtalmologie, biologiques. tissus des tion l’observa- pour sévère obstacle un tuent et consti- qui diffusés photons interférences, les d’éliminer aux contribuer à seuls sélec- tionner les photons balistiques, qui sont les de est », sections « de l’obtention etc. maculaire, dégénérescence la de l’évolution d’observer diabétiques, sujets la rétine), importantes pour le contrôle des gonfl de du ement (suivi dimensionnelles faible leur et bruit. cohérence de longueur de leur puissance, mais à cause decause leur à faible pas non d’épaisseur), du micromètre l’ordre de coupe une représente qui (ce femtosecondes 12 à 6 de durent sions impul- les dont la », ultra-brefs « lasers est des qualité avec réalisées été la ont jour ce à dont meilleure images les que cependant Notons commerciaux. montages mm 1 de est champ le ; jours plusieurs prendre peut qui 6. Cellules épithéliales de la muqueuse du Image colon. OCT, (a) prise sur une pièce opératoire non Coupe coupée. histologique, (b) obtenue après une suite d’opérations a n eos u oan piiéi de privilégié domaine du dehors En de plus en approche, cette de L’intérêt mesures des faire de permet L’OCT

2 , la résolution transversale de 1,3 µm et la résolution axiale (coupe) de 1 µm. Images : www.lltech.fr. : Images µm. 1 de (coupe) axiale résolution la et µm 1,3 de transversale résolution la , pertinence des images obtenues par OCT. par obtenues images des pertinence On peut se rendre compte sur la ﬁ gure 6 de la anatomopathologistes. que les histologiques réalisent coupes des possible que voisines aussi soient fournies images les que faut de il pertinent, type soit ce diagnostic que Pour tumeur. d’une Conclusion et perspectives et Conclusion et ue at oal d mrh des marché du !). médicaux lasers notable part une sente bistouri laser et l’épilation laser (qui repré- le myopie), la de (correction cornée la de résurfaçages les plaies, de cicatrisations les numéro) : citons les décollements de rétine, vivant (voir l’article de S. Mordon dans ce décrire. de choisi avons nous que que celui large plus beaucoup rôle un jouent etc. gravitation), de détections hypersensibles lasers, (comme les par ondes X rayons de génération ques, opti- pièges : domaines autres nombreux nous avons parlé se retrouvent dans de très depuis développée l’apparition des lasers. Les cohérences dont largement s’est qui de la » notion académique de « cohérence, des mondes de la physique et du biomédical, ques », applications pratiques à « l’interface En particulier, le laser « répare » le le » répare « laser le particulier, En médicaux lasers les que aussi clair est Il quel- ici illustrer à cherché avons Nous b

fimédical. et technique que, des des réduction barrières et culturelles entre mondes scienti- la à enfi sources n et des détecteurs, technologie la de milieux ces de complexes que sont les tissus biologiques, physique la de une maîtrise à liés sont thérapie, en qu’en imagerie tant attendus, progrès Les portance. l’im- de prendre de cesse ne qui rôle un déjà joue jeune, encore montre domaine, ce que nous médical le pour lasers des • • • • plus savoir en Pour Refl ets delaPhysique n°21/Le Bup n°927 et bèe nuso dn l monde le dans incursion brève Cette and Company Publisher (2009). Publisher Company and Mertz, C. J. and éditeurs, (2008). Springer Fujimoto, Technology G. J. et Drexler W. Tomography: Applications, Coherence Optical Treps, N. et (2010). Sciences EDP Bretenaker F. par coordonné Laser, Le , Roberts Microscopy , Optical to Introduction ❚

63 Quelques exemples d’application des lasers

de la prostate. la de cancer du traitement le pour celle et cutanée cicatrisation la pour laser du l’utilisation : développées récemment deux, présentons en nous article, cet Dans nombreuses. très sont lasers des médicales applications les 2010, En photochimique. et thermique photoablatif, électromécanique, : d’effets types quatre selon agir peut médecine en laser Le laser. premier du l’invention après année une peine à 1961, dès débute médecine en laser du L’histoire

en développement qui concernent des des fréquentes. très pathologies concernent qui développement en en lasers des applications à deux évoquer puis médecine, d’action mécanismes les complet. panorama un faire n’estil d’enen possible pas quelques pages et nombreuses, très sont aujourd’hui cales médi- applications Les d’existence. années trente leurs fêtent Médicaux) Lasers des and Surgery) et la SFLM (Société Francophone Medicine in l’ASLMS Laser for Society (American 2010, En développées. ment les 1980, particulière- sont se années laser du applications des début le Depuis endoscope. d’un opérateur canal le dans ﬁ la bre d’introduire possibilité la à grâce l’endocavitaire, à lasers applications des le dans 1970 des années a courant le ouvert champ optiques ﬁ bres aux recours Le chirurgiens ». optique « bistouri aux d’un concept le avec proposé d’abord tout de 1965, à et partir fut par Polanyi Kaplan INSERM Unité 703, Université Lille Nord de France, CHRU, 59120 Loos 59120 CHRU, France, de Nord Lille Université 703, Unité INSERM ([email protected]) Mordon Serge laser du médicales Applications 1. Les différents effets obtenus avec les lasers sur les tissus biologiques, en fonction de la durée la de fonction en biologiques, tissus l’irradiance de et laser du les d’émission sur lasers les avec obtenus effets différents Les 1. doye e abn (CO carbone de dioxyde à en Goldman (1963).dermatologie Le laser (1961) et ophtalmologie en Campbell avec Cet article se limitera donc à donc introduire limitera se article Cet L’histoire du laser en médecine débute débute médecine en laser du L’histoire 10 -15 10 -12 Effet électromécanique 10 -9 2 ), introduit introduit ), (S. Mordon, 2010.) Mordon, (S. Effet thermique Effet photoablatif Durée d'émission(s) 10 -6 Effet photochimique

10    Mécanismesd’action laserdu  (fi appliquée 1). g. l’irradiance de donc, et, dépend du d’exposition temps tinction dis- Cette [1]. d’effets types quatre selon biologique laser-tissu de cation l’interaction -3 Il est possible de proposer une classifi une - proposer de possible est Il Refl ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 irradiances généralement très faibles. très généralement irradiances et des de minutes, à secondes la dizaine durées de de la dizaine des s’étendant d’illumination avec photosensibilisant, un avec combinaison en obtenu uniquement est photochimique L’effet 10 l’ordre de irradiances des et secondes à de 1 quelques ms impulsions avec des thermique L’effet (UV). énergétiques important, photons des nécessitant est photoablatif l’effet qui spectral domaine c’est le ce plus que Dans cas, l’irradiance, ns. 100 à ns 10 de impulsions des avec photoablatif L’effet diances de l’ordre de 10 de l’ordre de diances des avec 10 de irra- à 10ps des et ns impulsions obtenu est qui disruptive), électromécanique L’effet 1 à 10à 1 6 W/cm 10 2 . 3 , qui est obtenu obtenu est qui , , qui est obtenu obtenu est qui , 9 à 10 10 10 10 10 10 1 10 10 10 10 6 15 -6 18 9 3 -3 6 12 12 (action (action W/cm Irradiance (W/cm2) >>> 2 .

65 Quelques exemples d’application des lasers >>> L’effet électromécanique L’effet thermique lumineuse. L’oxygène singulet est une Lorsqu’une impulsion laser très courte L’action thermique constitue aujourd’hui espèce oxydante. Les acides aminés, (nanoseconde et en dessous) est focalisée le mécanisme prédominant des applications certaines bases nucléiques et, à un moindre sur une cible tissulaire, créant ainsi des thérapeutiques des lasers. L’effet thermique degré, les chaînes lipidiques composant les irradiances élevées (de l’ordre de 109 à des lasers est un processus complexe com- membranes sont particulièrement sensibles 1012 W/cm 2), il est possible d’obtenir prenant trois phénomènes : une conversion à son action. Les mécanismes de type II localement des champs électriques impor- de la lumière laser en chaleur, un transfert sont prépondérants dans le processus tants (106 à 107 V/m), comparables aux de chaleur dans le tissu et une réaction photochimique. Le stress oxydatif pourrait champs atomiques ou intramoléculaires. tissulaire dépendante de la température. être relayé par un mécanisme d’apoptose(1), De tels champs induisent un claquage En fonction de la durée du chauffage agissant à la fois sur les membranes cellu- électrique du matériau de la cible, ayant réalisé et de l’élévation de la température du laires et sur la mitochondrie. pour résultat la formation d’un plasma. tissu, on peut obtenir une hyperthermie La présence d’un photosensibilisant est L’onde de choc associée à l’expansion du (élévation de température supérieure à requise pour l’obtention d’un effet photo- plasma engendre des ondes de pression 37 °C ne conduisant pas à une mort chimique. Un photosensibilisant est une extrêmement importantes et, par consé- cellulaire), ou une coagulation (nécrose molécule non toxique pour l’organisme quent, une rupture mécanique de la irréversible sans destruction tissulaire et dénuée d’activité thérapeutique propre. structure tissulaire. Cet effet électro- immédiate), ou une volatilisation d’un Il est idéalement caractérisé par : i) une mécanique est généralement obtenu avec volume tissulaire donné. Cet effet est fi xation ou une rétention élective par les des lasers Nd:YAG, fonctionnant en mode utilisé dans la plupart des applications cellules cancéreuses ; ii) par un (ou parfois déclenché (ns) ou en mode bloqué (ps). médicales des lasers, et tout particulièrement plusieurs) pics d’absorption lumineuse. En médecine, cet effet est utilisé en ophtal- en ophtalmologie (décollement de la Aujourd’hui, plusieurs photosensibilisants mologie pour détruire des membranules rétine), dermatologie (destruction de disposent de l’AMM (Autorisation de de l’œil qui surviennent souvent après lésions cutanées), chirurgie, etc. Mise sur le Marché) et d’autres sont en l’implantation d’un cristallin artifi ciel. En cours d’évaluation. dermatologie, on a recours à des lasers L’effet photochimique fonctionnant en mode déclenché (rubis, L’effet photochimique, plus souvent Le laser pour l’aide alexandrite, Nd:YAG) pour le traitement nommé Photothérapie Dynamique à la cicatrisation cutanée de lésions pigmentées ou le détatouage. (Photodynamic Therapy : PDT), consiste Dans ce dernier cas, le choix de la longueur à sensibiliser électivement une lésion par Plus de soixante-dix millions d’inter- d’onde dépend de la couleur des encres l’administration d’un photosensibilisant, ventions chirurgicales sont pratiquées de tatouage afi n d’obtenir une action puis à la détruire par une activation lumi- chaque année aux États-Unis, la majorité spécifi que. neuse spécifi que de celui-ci. C’est une d’entre elles impliquant une incision cuta- démarche en deux temps : née et donc une cicatrice. Pratiquement L’effet photoablatif i) l’application ou l’administration d’un tous les individus auront dans leur vie une L’effet photoablatif, appelé aussi photo- photosensibilisant qui s’accumule de ou plusieurs interventions chirurgicales décomposition ablative, est basé sur manière variable, dans un délai de quelques entraînant des cicatrices. Si, dans la majorité l’utilisation de photons présentant une heures à trois jours, dans la lésion à traiter ; des cas, la cicatrice résultante est discrète, énergie supérieure à l’énergie de liaison ii) l’éclairage de la lésion par une lumière il n’est pas rare de voir se développer des des molécules biologiques. En effet, des de faible intensité, sans effet thermique, dont cicatrices hypertrophiques ou chéloïdes(2). photons ayant une énergie de l’ordre de la longueur d’onde est préférentiellement Les patients et les médecins sont ainsi 4 eV à 6 eV sont susceptibles de dissocier absorbée par le photosensibilisant. motivés pour améliorer le résultat esthé- des liaisons peptidiques ou les liaisons L’excitation de ce dernier initie alors par tique des cicatrices. Contrairement à la carbone-carbone des chaînes polypepti- transfert d’énergie une cascade de réactions salamandre, les mammifères ont une diques. Le processus photoablatif consiste fi nalement cytotoxiques, qui peuvent être capacité très limitée de régénération ainsi en une dissociation ou une rupture de deux types : dans les mécanismes de d’organes ou de cellules. Toute incision de la matière et en l’expulsion des fragments type I, le photosensibilisant va réagir de la peau conduit à une cicatrice qui à une vitesse supersonique. Les lasers chimiquement avec des molécules en semble être le résultat de la rapide inter- émettant dans l’ultraviolet, tels que les lasers interaction directe. Des réactions d’oxydo- position de la fi brose (accumulation à excimères (ArF: 193 nm-6,4 eV ou réduction conduisent à des espèces radi- anormale de macromolécules de la matrice XeCl: 308 nm-4 eV) ou bien un laser calaires et, par des processus complexes extracellulaire telles que le collagène, Nd:YAG quadruplé en fréquence faisant généralement intervenir l’oxygène, l’élastine…) des tissus, ce qui empêche (266 nm-4,7 eV), sont bien adaptés à la à la dégradation des molécules avoisinantes. la régénération tissulaire ultérieure. photoablation. Cet effet est particulièrement Le photosensibilisant est le plus souvent Cependant, la chirurgie in utero a pu utilisé en ophtalmologie pour la chirurgie détruit au cours de ces réactions. Dans les montrer qu’une plaie peut se refermer réfractive de la cornée, qui consiste à en mécanismes de type II, un transfert sans traces visibles. modifi er la courbure. Il est ainsi possible d’énergie à l’oxygène amène celui-ci à Récemment, différentes équipes ont 1 de corriger des myopies, des astigmatismes l’état singulet, O2. Le photosensibilisant cherché à bloquer la formation de cicatrices, légers à modérés, ainsi que des petites revient à son état fondamental et il est en particulier en manipulant la produc- hypermétropies. prêt à une nouvelle collecte d’énergie tion de certains facteurs de croissance, qui

66 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 traitements, au traitements, modifiDes de cicatrisation. er le processus ou (thermique physique changements des que récents de Cependant, dégradation sa bablement pro- plus le clinique, milieu en plaies des n’a croissance, réparation la sur qu’unmodéré impact de facteur d’un ministration l’ad- que tel seul, chimique agent qu’un soins les dans substantielles avancées à des abouti pas n’ont résultats ces tissus, des de la réparation conditions des dans impliqués facteurs de myriade la de délimitation la dans accomplis été aient progrès d’énormes que Bien [2]. ticulier) par- (fi en la broblastes tissulaire de réparation l’origine à cellules les sur agissent dans la zone qui s’étend entre 650 et et 650 entre s’étend qui zone la dans c’est En effet, LASH). 810(technique nm à émet qui laser diode la superfi et cielle) est trop son action émet qui (mais nm à 585 pulsé colorant à laser le : utilisés été ont différents lasers deux jour, ce À cicatriciel. processus le conséquent, par et, matoire pourraient modifi de infl réponse la permettre er am- lasers les que démontré ont cliniques études récentes de µm, 1,06 à Nd:YAG laser un utilisa qui avec Abergel par d’années, d’une trentaine datent qui laser, cutanée cicatrisation la de lioration [3]. plaie la de tion un d’obtenir clairement ont de réparation redondance la 2. Profondeur de pénétration d’un rayonnement laser dans la peau, en fonction de la longueur d’onde. longueur la de fonction en peau, la dans laser rayonnement d’un pénétration de Profondeur 2. Depuis les premiers travaux sur l’amé- sur travaux premiers les Depuis aux patients. Il est devenu clair clair devenu est Il patients. aux en quasi-processus de régénéra- quasi-processus

raison de la plasticité et de de et plasticité la de raison Profondeur de pénétration (mm) de la blessure, ou en raison de des composants des processus moyen de lasers thermiques, lasers de moyen montré qu’il était possible possible était qu’il montré

normales et pathologiques et normales 1,0 2,0 3,0 0,0 4,0 2,5 0,5 1,5 3,5 rapide dans la plaie. plaie. la dans rapide

mécanique) peuvent mécanique) résultats suggèrent suggèrent résultats de l’environnement l’environnement de 500 750 1000 Longueur d'onde(nm)

1250 Ekkyo, Aix-en-Provence) Ekkyo, (Ekkylite, 810à nm laser diode à système portatif d’un moyen au œuvre en mise par contrôles. aux laser, rapport par traitées plaies des rupture la à résistance meilleure processus une et cicatriciel du l’accélération confi rmé a histologique analyse Une [4]. inexistantes) que (voire totalement les contrôles visibles 810nm à moins nettement laser cicatrices des donnaient diode une par traitées chirurgicales sutures que des ont montré ils ont en sur été 2000 le réalisés ; rat Hairless expérimentaux travaux premiers Les Lille. (fi profondeur en g. illumination une à propice plus la donc sera et faible plus la est l’eau par l’absorption que nm 1200 patients traités au laser comparés au au comparés laser aussi montre étude Cette témoin. au groupe traités patients de les moyenne pour mois douze à % 38,1 de hauteur diminution une cicatrices des montre silicone en d’empreintes (fi observée analyse Une est 4). laser g. au nette une mois, douze à évalués patients trente de série une sur d’évaluations exemple, Par l’objet cliniques. fait a 810nm, de laser diode une par assistée cutanée, tion minutes. deux de l’ordre de traitement de durée une nécessite cm 20 de incision une (fi Ainsi, 3b). l’incision g. de totalité la traiter afi de l’opérateur n par déplacé l’incision opératoire. Il délivre un spot spot mm 4 × de 20 un rectangulaire délivre de Il opératoire. fermeture l’incision la après immédiatement chirurgicale, fi la qu’à l’intervention de n utilisé n’est laser (fi Ce 3a). thermique g. La technique LASH est maintenant maintenant est LASH technique La La technique LASH a été mise au point à et apoh oiiae e cicatrisa- de originale approche Cette amélioration de la cicatrice traitée traitée cicatrice la de amélioration 1500 1750 2000 , qui agit par effet par agit qui 2 . Ce spot est >>> 2). , ,

suture (T), avec une flune avec (T), suture J/cm 110 de uence été appliqué le long de l’incision immédiatement après a laser Le indiquées. sont (C) contrôlées et (T) traitées gauche traité par laser (résultat à douze mois). Les parties (a) Sein droit non traité. (b) traité. non droit Sein (a) ans. 35 de femme une chez sein au verticale cicatrice d’une LASH) 4. Traitement par diode laser à 810 nm (technique de 80 à 130 J/cm 130 à 80 de d’onde de 810 nm, une puissance de 8 W et une fl uence fermeture . paramètresLestypiquementlongueur uneutilisés sont après immédiatement l’incision de long le appliqué est faisceau Le (b) mm. 20 x mm 4 de faisceau un émet laser Ce France). (Aix-en-Provence, 3. à une quasi-disparition de la cicatrice. la de quasi-disparition une à a (a) Laser portatif développé par la société Ekkyo Refl ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 a 2 . b 2 , et a conduit a et

Sein

67 Quelques exemples d’application des lasers Pénis

Vessie Testicule

Prostate Injection Cathéter intraveineuse Canal déférent

Vésicule séminale

Rectum

Cathéter Sonde échographique endo-rectale

Lasers 763 nm Grille de positionnement

Fibre optique Cathéter

5. Schéma illustrant le principe du traitement par PDT du cancer de la prostate. Les fi bres sont introduites dans des cathéters positionnés dans la prostate. Leur position est contrôlée par échographie endorectale. Le photosensibilisant (Tookad – 4 mg/kg) est injecté par voie intraveineuse. L’illumination des fi bres est faite au moyen d’un laser de longueur d’onde 763 nm, pendant une durée de vingt-deux minutes.

a b

6. Destruction sélective de zones localisées de la prostate par PDT. (a) IRM de la prostate (contour bleu) avant traitement. Cette image permet de défi nir le positionnement optimal des fi bres optiques de traitement (contour rouge). La position des fi bres (croix vertes) est défi nie par un logiciel de planifi cation. (b) Nécrose (ﬂ èche rouge) obtenue sept jours après le traitement. Cette nécrose sera progressivement éliminée au fi l des mois, et remplacée par un tissu fi breux.

68 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 cicatrices hypertrophiques [6]. hypertrophiques cicatrices des prévention la dans déterminant rôle montrer jouer un pu pourrait LASH que technique la a clinique étude autre une Récemment, tir. de paramètres des bilité reproducti- excellente une assure Ekkyo homogène, le laser parfaitement spot laser à un grâce superfi Heureusement, [5]. cielles du cancer de la prostatecancerladude lasertraitementleLepour rôle le intraveineuse et son effet est activé par par activé est effet son voie et par intraveineuse injectée est la Elle de chlorophylle. chimique synthèse par modifi ée forme une est Weizmann, l’Institut avec développée substance, Cette Steba-Biotech). rié ae ds oe sprers à supérieures doses J/cm des 115 avec traités de contrôle. En revanche, pour les patients au segment par rapport traités des patients signifi le segment de dans différence cative faible dose dose faible appliquée. padéliporfi(Tookad ne est prostate avec la réalisée la principalement aujourd’hui de localisés cancers des PDT La moindres. secondaires effets et aux douloureuse peu invasive, peu technique d’une possibilité la entrevoir laisse prostate la de interstitielle (PDT) dynamique rapie photothé- la particulier, En d’évaluation. », en sont cours lifi invasives mini « de ées qua- thérapeutiques, méthodes nouvelles sexuelle…). dysfonction urinaire, tinence (incon- pénibles secondaires effets des et traitements Ces présentent un caractère relativement invasif curiethérapie. la et thérapie radio- la prostate, de la complète ablation avec : chirurgie la localisés les cancers pour curatifs de traitements types trois existe il présent, Jusqu’à ans. dix à supérieure est vie de et dont l’espérance prostatique, glande la localisée maladie à une ayant tout patient curatif un traitement généralement On propose de accrues. guérison chances des présentant localisé stade à un de et en plus donc tôt, plus découverts diagnostiqués sont prostate la de cancers les Aujourd’hui, rapide. très en progression c’est de vie, cancer un de l’espérance régulière l’augmentation de tenu Compte an. par décès et 10000 cas nouveaux 000 plus de 60 de 75 avec huit sur avant ans, homme l’âge un atteint il France, En masculin. cancer >>> En dehors de ces trois traitements, de de traitements, trois ces de dehors En premier le est prostate la de cancer Le éemnn d l ds (J/cm dose la de déterminant 2 Pour les huit patients traités à traités patients huit les Pour , il existe un risque de brûlures brûlures de risque un existe il (< 80 J/cm 80 (< , c’est-à-dire se limitant à limitant se c’est-à-dire ® 2 Soluble – société société – Soluble ), il n’y avait pas pas avait n’y il ), 2 )

aiguille introduite introduite une aiguille travers à place en mises fi sont bres Ces cancéreuses. lésions des sein au néale sont voiepéri- par qui prostate la dans introduites optiques fi bres des les défi positions nit planifi cation de logiciel un de permettent localisés, qui des la cancers position connaître IRM en obtenues [7]. détruites elles-mêmes sont prostate la dans situant se cancéreuses cellules les plus n’étant vascularisé, prostatique Le tissu vasculaire. réseau le sur l’action à grâce en essentiellement l’espace de jours, quelques prostatique du tissu voque destruction une pro- et laser du photosensibilisant produit L’association de la lumière la prostate. dans lumière la de pénétration bonne une permet spécifi d’onde longueur que Cette 753 nm. à d’onde de une exposition longueur lumière Conclusion (2) Chéloïde : se dit d’une cicatrice en bourrelet, toucher. bourrelet, au en douloureuse cicatrice d’une dit se : Chéloïde (2) programmée. cellulaire mort : Apoptose (1) rcc. a oe nesiile l fi bre (la est interstitielle voie La précoce. à un stade des cancers de détecter possible il devient aux de grâce progrès l’imagerie, dissémination leur dans les Parallèlement, blocs chirurgicaux. freiné souvent médicaux ont lasers des œuvre en mise de diffi la culté important, coût le brement, cations appli- de leurs une multiplication entrevoir laissent lasers des miniaturisation la dans progrès Les des lasers. récentes très cations quelques heures après la séance de PDT [8]. PDT de séance la après heures quelques et chez lui peut rentrer le matin à l’hôpital arrive qui le par patient, bien est supporté traitement Le fi 6. la gure l’illustre comme très prostate, de la localisées de zones sélective destruction une permet Cette technique (fi 5). g. vasculaire réseau pad le la dans de demi-vie au de temps correspond qui minutes vingt-deux de durée une pendant voieintraveineuse, par injectée préalablement de la substance lumineuse l’excitation réaliser de permet échographique. à qui un laser connectées sont ensuite Elles contrôle sous prostate considérablement réduits. réduits. considérablement d’hospitalisation temps des avec patient, le pour agressive moins donc beaucoup est anesthésie locale. anesthésie au sein traitement fi la de bre d’introduire permet diamètre) En pratique, sur la base des images images des base la sur pratique, En Ces deux exemples illustrent des appli- des illustrent exemples deux Ces insérée insérée médicales. En le effet, fort e médicales. via une canule de très petit petit très de canule une La procédure chirurgicale procédure La de la lésion, souvent de sous la lésion, via le périnée dans la la dans périnée le ❚ éliporfine ncom- ,

5 • 5 7 • 7 “Laser- Mordon, S. et Iarmarcovai G. • 6 Capon, A. • 8 Arumainayagam N. • 4 • 3 • 2 • 1 Boccara, « Applications Mordon médicales et », C. S. Références Reﬂ ets delaPhysique n°21/ Le Bup n°927 2010. Sciences, EDP », à… introduction Une « Collection dans A. Capon A. . (2010) Jan 28. Jan (2010) Surg. Plast. Aesthetic”, Surgery. Plastic in (LASH) Healing Skin cutanée », cutanée Mordon S. prostate cancer”, prostate of therapy photodynamic interstitial for analysis Davidson S.R. revision”, scar hypertrophic in (LASH) healing skin assisted (2010) May 9. May (2010) prostate”, the of ablation focal for reduces wounds scarring”, rat cutaneous to 3 TGF-beta of of TGF-beta 1 and TGF-beta 2 or exogenous addition Shah, M. Foreman, D.M. Ferguson, M.W. “Neutralisation (2001) 168-175. (2001) mrvs on healing”, wound improves and accelerates system diode-laser 815-nm a using A. Capon A. Le laser, coordonné par Treps N. et Bretenaker, F. et et J. Cosmet. Laser Ther. Laser Cosmet. J. J Cell. Sci. Cell. J et Med. Sci (Paris) Sci Med. al., “Scar Prevention Using Laser-Assisted al., “Laser assisted skin closure (LASC) by al., « Lasers thermiques et cicatrisation et Phys. Med. Biol. Med. Phys. , “Treatment planning and dose and planning “Treatment al., (1995) 985-1002. (1995) 108 et “htdnmc therapy “Photodynamic al., (2010) 89-94. (2010) 26 aes ug Med. Surg. Lasers (2009) 2293-2313. (2009) 54 (2009) 220-223. (2009) 11 ol J Urol. J. World 28

69 Quelques exemples d’application des lasers Des lasers pour les télécommunications optiques par ﬁ bres : un luxe ou une nécessité ?

Mehdi Alouini ([email protected]) Institut de Physique de Rennes, UMR CNRS 6251, Université de Rennes 1, 35042 Rennes Cedex, Ingénieur-conseil à Thales Research and Technology.

L’invention du laser, suivie Cinquante ans nous séparent du premier lumière correspond à un bit « 1 », alors du développement des lasers laser. Pourtant, qui aurait pensé que cette que son absence correspond à un bit « 0 ». expérience de physique allait paisiblement On transcrit ainsi l’information sur une à semi-conducteurs, a été révolutionner nos modes de vie ? Cette porteuse optique, qui va se propager le un élément clef dans l’essor lumière aux propriétés si étranges s’est en long de la fi bre sur plusieurs dizaines, voire effet immiscée dans notre quotidien en milliers, de kilomètres avant d’atteindre le des télécommunications changeant nos modes de communication, détecteur. Ce dernier convertit enfi n la par fi bres optiques. sans même qu’on s’en aperçoive. Les télé- modulation optique en signal électrique. communications optiques ne se seraient L’utilisation d’une porteuse optique sans doute pas démocratisées sans ces présente deux intérêts majeurs. Nous exposons ici lasers : si petits et pourtant si complexes ! Le premier intérêt est la large bande les raisons pour lesquelles Nous tentons ici de montrer pourquoi les passante, qui est directement liée au nombre propriétés du rayonnement laser ont été d’informations que l’on peut transférer par certaines des propriétés déterminantes dans l’essor des télécommu- unité de temps. En effet, à la longueur du rayonnement laser, nications optiques. d’onde des télécommunications optiques qui est de 1,5 µm, la fréquence lumineuse, telles que la brillance , est de l’ordre de 200 THz. Moduler Pourquoi transmettre ν0 et la cohérence, sont l’intensité d’une onde lumineuse avec un l’information dans le domaine signal sinusoïdal à la fréquence ν induit aujourd’hui incontournables optique ? l’apparition dans le domaine spectral de pour réaliser des liaisons deux raies à ± ν de la fréquence lumi- Pour comprendre en quoi les lasers ont neuse ν0 (fi g. 1a). Dans le cas où le signal pour les télécommunications aidé à révolutionner le domaine des télé- de modulation est quelconque et où sa à longue distance et de haut communications, revenons quelques instants fréquence la plus élevée est ν, des bandes sur le principe de fonctionnement et les latérales apparaissent de part et d’autre de la débit. Les besoins dans caractéristiques d’une liaison optique. Dans fréquence lumineuse, couvrant un spectre ce domaine nous amènent le cas le plus simple, une liaison optique est de largeur 2ν centré autour de ν0. Ce sont constituée d’un laser, d’une fi bre et d’un ces bandes spectrales qui contiennent l’in- ensuite à comprendre détecteur. Quelle que soit l’origine du formation utile. Ainsi, en se limitant à une pourquoi les lasers à semi- signal à transmettre, celui-ci est d’abord largeur de spectre utile de 16 nm autour numérisé puis compressé dans le domaine de 1550 nm, la bande passante est déjà conducteurs se sont imposés électrique, en une succession de bits « 1 » potentiellement de 1 THz. comme les sources optiques et « 0 ». Le passage dans le domaine opti- Le deuxième intérêt majeur d’utiliser que se fait via un laser, dont on module une porteuse optique est que les fi bres de prédilection. l’intensité de sorte que la présence de présentent aujourd’hui des pertes faibles,

70 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Coupe d’une préforme permettant de réaliser une fi bre optique air-solide de 125 μm de diamètre (XLIM, Limoges). © CNRS Photothèque / VRIGNAUD François.  Quelques exemples d’application des lasers

Multiplexage en longueur d'onde de l’ordre de 0,2 dB/km. Ceci correspond Modulation d'amplitude : spectre optique à une atténuation de l’intensité lumineuse d’un facteur 2 au bout de 15 km de pro- λ λ1 2 λ3 λ4 pagation. Si l’on devait rester dans le domaine électrique, les pertes de propaga- Sans modulation tion augmenteraient avec la fréquence du c signal. Pour donner un ordre de grandeur,

Puissance (u.a.) l’atténuation d’un câble hyperfréquence à 50 GHz 20 GHz se compte en dB/m. L’atténuation de la puissance électrique est déjà consé- 10 quente au boutMultiplexage de quelques en longueur mètres. d'onde Ce 20 GHz Avec modulation 5 THz Modulation d'amplitude : spectre optique problème ne se pose plus lorsque le signal est porté par l’onde optique, car les ﬁ bres 1 λ sont parfaitementλ1 transparentes2 et présententλ3 λ4 Puissance (u.a.) Sans modulation peu de pertes sur une plage de longueur 1542,2 1542,35 1542,50 1542,65 1542,8 Atténuation (dB/km) b d’onde qui excède la centaine de nanomètres Longueur d'onde (nm) 0,1 800 1000 1200 1400 1600 1800 autour de 1,5 µm (ce qui représente une

Puissance (u.a.) plage spectrale supérieure à 5 THz, voir la © Inst. Phys. Rennes - M. Alouini Longueur d'onde (nm) 50 GHz ﬁ gure 1b).

On voit10 donc comment l’utilisation de 20 GHz Avec modulation 5 THz la lumière comme vecteur de l’information a ouvert la voie aux transmissions de haut débit. Encore1 fallait-il pouvoir moduler Puissance (u.a.) a rapidement cette lumière et garantir qu’elle 1542,2 1542,35 1542,50 1542,65 1542,8 se propageAtténuation (dB/km) sans pertes d’information. Nous Longueur d'onde (nm) 0,1 verrons800 plus 1000 loin comment1200 1400 les 1600 lasers à1800 semi-conducteurs remplissent parfaitement 1. Le domaine optique offre une bande passante gigantesque© Inst.. (a) Phys. Spectre Rennes optique - M. Alouini d’un laser. La modula- Longueur d'onde (nm) tion de son intensité fait apparaître dans le spectre deux bandes latérales, espacées de la fréquence de modula- la première condition. Retenons pour tion. (b) Atténuation d’une fi bre optique en fonction de la longueur d’onde. L’atténuation augmente aux petites l’instant que la source lumineuse doit pou- longueurs d’onde à cause de la diffusion Rayleigh, et aux grandes longueurs d’onde à cause de l’interaction voir être rapidement modulée, et voyons photons-phonons. Le pic à 1380 nm correspond à une transition de l’ion OH–. La fenêtre de transparence se situe pourquoi la deuxième condition lui impose entre 1530 nm et 1600 nm. (c) Le multiplexage en longueur d’onde consiste à compartimenter le spectre optique en plus d’avoir une grande brillance. Pour en plusieurs canaux de communication. Chaque canal possède sa propre porteuse optique, autour de laquelle cela, intéressons-nous à la propagation de sont transposés les signaux électriques à transmettre (en rouge sur la fi gure). © Inst. Phys. Rennes - M. Alouini la lumière dans une ﬁ bre. >>>

Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 71 >>> Pourquoi une source lumineuse elle se retrouve étalée en sortie de la fi bre, c’est-à-dire celui qui parcourt le moins de forte brillance ? liaison (fi g. 2b-1). Ceci est d’autant plus de distance, voit un indice élevé. À l’inverse, rédhibitoire que le débit est élevé, c’est-à- un mode qui serpente de part et d’autre du Une fi bre optique est constituée d’un dire que les impulsions sont courtes et centre du cœur parcourt plus de distance, cœur qui guide la lumière et d’une gaine, rapprochées les unes des autres, et que la mais voit en moyenne un indice plus faible tous deux en silice (fi g. 2a). Pour que la liaison est longue. Pour que les impulsions (fi g. 2b-2). On montre que le profi l d’indice lumière reste guidée, on joue sur le restent bien séparées sur le détecteur, on idéal est parabolique. Alors, le produit BL de 2 dopage de la silice pour que l’indice de montre que, dans le cas d’une fi bre à saut la liaison devient borné par : BL < 8c/(n1Δ ). réfraction du cœur soit supérieur à celui d’indice (où le profi l d’indice à l’interface En prenant les mêmes hypothèses que de la gaine. Lorsque le diamètre du cœur cœur-gaine forme une marche d’escalier), le précédemment, notre liaison de 10 km est très grand devant la longueur d’onde, produit de la bande passante en fréquence, offre maintenant un débit de 360 Gb/s. les lois de la réfraction de l’optique géo- B, par la longueur de liaison, L, doit rester métrique s’appliquent. Ainsi, il existe un inférieur à une certaine valeur donnée par la Bien sûr, cela est loin d’être suffi sant dès 2 angle d’incidence critique (avec la normale relation : BL < n2c/(n1 Δ), où Δ = 1 – n2/n1. lors que les distances à parcourir se comptent à l’interface entre le cœur et la gaine), Dans ces expressions, n1 et n2 sont respec- en milliers de kilomètres. C’est là que la au-delà duquel se produit la réfl exion totale. tivement les indices du cœur et de la brillance de la source lumineuse utilisée La lumière se trouve ainsi guidée le long du gaine, et c la célérité de la lumière. À titre devient capitale. En effet, dans ce cas, on cœur. Cependant, elle peut emprunter d’exemple, une liaison de 10 km de long a recours aux fi bres dites « monomodes ». plusieurs chemins tout en restant guidée, utilisant une fi bre multimode à saut d’indice, Celles-ci ont un cœur, dont le diamètre est pourvu que l’angle d’incidence soit supérieur avec une différence d’indice de 10- 3 entre si petit qu’elles n’autorisent la propagation à l’angle critique. Dans ce cas, la fi bre est le cœur et la gaine, autorise un débit que d’un seul mode spatial. En effet, lorsque dite « multimode », car plusieurs modes de maximum de seulement 30 Mb/s. les dimensions transverses du guide sont propagation sont possibles (fi g. 2b). Le calcul Pour minimiser la dispersion modale comparables à la longueur d’onde, les lois rigoureux montre qu’il existe une multi- tout en gardant de grands diamètres de de l’optique géométrique ne s’appliquent tude de modes de propagation, chacun ayant cœur, une solution consiste à utiliser des plus. Il faut alors faire appel aux équations son propre indice effectif, de sorte que les fi bres à gradient d’indice. Dans ces fi bres, de propagation de Maxwell, en tenant chemins optiques(1) vus par chaque mode on s’arrange pour que la valeur de l’indice de compte des conditions aux limites (celles sont différents. On parle alors de dispersion réfraction dans le cœur diminue radialement imposées par l’interface cœur-gaine). La modale. Un tel schéma de propagation n’est du centre vers les bords. Le profi l d’indice résolution de ces équations montre que pas adapté à une transmission de haut débit. est calculé pour que tous les modes voient plus on cherche à confi ner l’onde, plus le En effet, une impulsion lumineuse pouvant le même chemin optique. Ainsi, le mode nombre de modes pouvant se propager emprunter plusieurs chemins optiques, se propageant parallèlement à l’axe de la diminue. Cette propriété est très générale

1 - Fibre multimode1 - Fibre àmultimode saut d'indice à saut d'indice

Gaine en siliceGaine pure en silice pure Indice φ = 125 μm φ = 125 μmIndice Rayon Rayon δt δt 2 - Fibre multimode2 - Fibre àmultimode gradient d'indice à gradient d'indice Indice Indice

Rayon Rayon δt δt 3- Fibre monomode Cœur en siliceCœur dopée en silice dopée3- Fibre monomode a φ = 8 μm φ = 8 μm Indice Indice b Rayon Rayon

2. Fonctionnement d’une ﬁ bre optique. (a) Section d’une fi bre monomode. (b) Propagation de la lumière dans trois types de fi bres en fonction de leur profi l d’indice. Dans une fi bre multimode, une impulsion lumineuse (en gris) peut parcourir différents chemins optiques à la fois. Une impulsion empruntant le chemin tracé en rouge met pour arriver au détecteur un temps supérieur de δt à celui qu’elle aurait mis si elle avait emprunté le chemin tracé en orange. La dispersion modale produit donc un élargissement des impulsions et, par conséquent, le chevauchement des différents bits contenus dans le signal à transmettre. L’utilisation d’une fi bre monomode permet de s’affranchir de ce problème, puisque l’impulsion ne peut emprunter qu’un seul chemin optique. © Inst. Phys. Rennes - M. Alouini

72 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 en physique ondulatoire, y compris en rigoureusement le même indice effectif, recours au multiplexage temporel et fré- mécanique quantique. Ainsi, il devient elles se propagent à des vitesses légèrement quentiel. Le multiplexage temporel consiste nécessaire de coupler la puissance lumineu- différentes. Autrement dit, les composantes à comprimer puis à entrelacer dans le se, typiquement une dizaine de milliwatts, spectrales d’un signal quelconque n’arrivent temps les signaux issus de différents canaux dans un guide de 8 µm de diamètre (fi g. 2a). pas au même moment sur le détecteur électriques. Le multiplexage fréquentiel Dans les fi bres monomodes, la lumière se situé en bout de ligne. Ceci résulte en un consiste, quant à lui, à placer les différents propage suivant l’axe de la fi bre et ne voit étalement des impulsions formant le signal. canaux côte à côte dans le spectre. Dans qu’un seul indice effectif, dont la valeur On parle alors de dispersion chromatique. les deux cas, on cherche à remplir de est comprise entre celles du cœur et de la Cette dispersion s’exprime en ps/km/nm et manière optimale la bande utile afi n d’ex- gaine (fi g. 2b-3). La dispersion modale vaut 17 ps/km/nm dans une fi bre mono- ploiter effi cacement le débit disponible n’existe plus, puisque seul le mode fonda- mode standard. Ce chiffre traduit le fait dans un canal optique, à savoir la dizaine mental est guidé. qu’une impulsion qui s’étalerait dans le de Gbit/s. Notons que la fabrication des fi bres domaine spectral sur 1 nm s’élargit de Une fois dans le domaine optique, on monomodes est une vraie prouesse techno- 17 ps dans le domaine temporel tous les fait appel au multiplexage en longueur logique. On est capable aujourd’hui de kilomètres. Supposons que la fréquence de d’onde (fi g. 1c). Le principe est similaire à tirer plusieurs centaines de kilomètres de modulation ν vale 10 GHz. Le signal cou- celui du multiplexage fréquentiel dans le fi bre monomode, en garantissant un dia- vrirait alors une largeur spectrale de domaine électrique, hormis qu’il intervient mètre de cœur de 8 µm. Cela correspond à 20 GHz, ce qui correspondrait à 0,16 nm à l’échelle des fréquences optiques. Pour un facteur de forme supérieur à 1010 ! à la longueur d’onde de 1,5 µm (fi g. 1a). cela, on couple dans une seule fi bre plusieurs Signalons aussi que les travaux liés au Au bout de 100 km de propagation, il signaux issus d’un ensemble de lasers dont  Quelques exemples d’application des lasers développement des fi bres optiques ont s’étalerait dans le domaine temporel de les longueurs d’onde sont légèrement valu à Charles K. Kao le prix Nobel 2009 270 ps, c’est-à-dire du même ordre de décalées, chaque canal optique offrant un de physique. grandeur que la période de modulation. Il débit d’une dizaine de Gbit/s. En pratique, La transmission de signaux de haut débit deviendrait alors diffi cile de distinguer on arrive à multiplexer une centaine de passe donc par l’utilisation de fi bres mono- deux bits successifs. longueurs d’onde, formant un peigne qui modes. On peut alors se demander en Contrairement à la dispersion modale, la couvre le domaine spectral 1530 nm à quoi il est important d’injecter dans des dispersion chromatique n’est pas handica- 1570 nm, et dont les raies sont espacées de guides si petits plusieurs milliwatts de puis- pante. Cet effet physique est réversible. En 0,4 nm. La gamme de longueurs d’onde sance optique. En réalité, cela va de pair plaçant le long de la liaison des tronçons choisie correspond au minimum d’atté- avec l’augmentation du débit à transmet- de fi bre à dispersion négative, on donne nuation des fi bres et à la fenêtre spectrale tre. Plaçons-nous en bout de liaison, au de l’avance aux composantes spectrales qui d’amplifi cation des amplifi cateurs optiques niveau du détecteur. Pour dépasser le seuil ont pris du retard et vice-versa, de sorte dopés en erbium (voir dernière section). de détection relatif au bit « 1 », l’impulsion que la dispersion cumulée en bout de Le multiplexage en longueur d’onde lumineuse doit contenir un certain nombre liaison est quasiment nulle. On parle alors impose donc que les sources lumineuses de photons. Augmenter le débit revient à de gestion de la dispersion ou encore de utilisées soient fi nes spectralement et que raccourcir la durée des impulsions et à en dispersion management. leurs longueurs d’onde ne dérivent pas plus augmenter le nombre par unité de temps. que 0,01 nm. Sinon, les différents canaux Ceci nécessite une augmentation du nom- Pourquoi une source lumineuse optiques de communication se mélange- bre moyen de photons par unité de temps, spectralement fi ne ? raient (fi g. 1c). Cette contrainte supplé- et donc de la puissance moyenne de la mentaire trouve, là encore, une réponse source optique utilisée. La propriété de cohérence inhérente au dans une des propriétés du rayonnement rayonnement laser joue aussi un rôle laser : sa cohérence. Même monomodes, déterminant dans les réseaux de haut débit. les fi bres restent dispersives Les liaisons les plus performantes possèdent La fenêtre de transparence des fi bres aujourd’hui des débits de l’ordre du Tbit/s optiques permet des débits largement Bien que la dispersion modale soit nulle dans une seule fi bre. Or, la cadence des supérieurs à la dizaine de Tbit/s. Pour dans les fi bres monomodes, il subsiste impulsions lumineuses issues d’un laser est cela, il suffi rait d’augmenter le nombre de néanmoins un autre effet de dispersion de l’ordre de la dizaine de Gbit/s. On canaux optiques, mais cela s’accompagnerait beaucoup plus petit, lié à la nature même arrive à obtenir des cadences de 40 Gbit/s, d’une augmentation démesurée de la puis- du matériau et au profi l d’indice de la mais au prix d’efforts conséquents. Cette sance optique circulant dans la fi bre. On fi bre. En effet, l’indice effectif vu par le mode limitation provient principalement de la se retrouverait alors rapidement confrontés dépend très légèrement de sa longueur diffi culté qu’on rencontre à convertir un à une multitude d’effets non linéaires qui d’onde. Pour mieux comprendre, revenons signal électrique de très haute fréquence dégraderaient la qualité des signaux transmis. à notre signal optique modulé sinusoïdale- en modulation optique. Elle provient aussi En réalité, ce sont souvent les fenêtres ment à la fréquence ν. Comme nous l’avons des circuits électroniques eux-mêmes. Les d’amplifi cation des répéteurs optiques, ainsi vu précédemment, le spectre de ce signal signaux électriques à transmettre ont souvent que la saturation de leur gain, qui limitent est constitué de la porteuse optique à ν0 et une cadence bien plus faible que le Gbit/s. la bande passante utile, notamment dans de deux raies latérales à ± ν de ν0. Ces Cependant, pour remplir la bande avant les liaisons à longue distance où ils sont insérés tous les 150 km. trois composantes spectrales ne voyant pas de passer dans le domaine optique, on a >>>

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 73 >>> Pourquoi un laser semi-conducteurs permettent de répondre à de données. On doit leur succès à l’invention ce besoin, puisque est de l’ordre de la ns. des hétérojonctions, notamment par de petites dimensions ? τinv En tenant compte de ces deux temps Jores Ivanovitch Alferov, qui s’est vu

Les contraintes que nous venons d’évoquer caractéristiques, τp et τinv, la réponse fré- décerner en 2000 le prix Nobel de physique. montrent clairement que les sources lumi- quentielle du laser à une modulation de la En confi nant spatialement le courant d’in- neuses utilisées en télécommunications pompe se calcule assez aisément. Elle est de jection, les hétérojonctions ont permis optiques ne pouvaient être autre chose que la forme : d’obtenir l’inversion de population dans 2 2 2 2 2 – 1/2 des lasers. Encore fallait-il pouvoir moduler |H(ν)| = [(1 – ν /νr ) + (γν/νr ) ] , les semi-conducteurs avec des courants le signal optique à des fréquences GHz, où νr est la fréquence des oscillations de ridiculement faibles, de l’ordre du mil- c’est-à-dire allumer et éteindre le fl ux relaxation et γ est le taux d’amortissement liampère (mA). lumineux un milliard de fois par seconde. (exprimé en hertz). On voit que le laser se Il existe, pour moduler la puissance lumi- comporte comme un fi ltre passe-bas du Les lasers à semi-conducteurs ont neuse, deux grandes approches : soit on deuxième ordre (fi g. 3a), dont on peut aujourd’hui envahi le marché. Ils sont module directement la source lumineuse, calculer la fréquence de coupure. La fré- présents dans à peu près tous les équipements soit on place derrière une source continue quence des oscillations de relaxation est contenant un laser, qu’ils soient scientifi ques, 1/2 un modulateur d’amplitude. La première proportionnelle à [(η – 1) / (τp τinv)] , où militaires ou civils. Ces lasers sont très approche est la plus répandue, car elle est η est le taux de pompage, c’est-à-dire la compacts, très robustes, consomment peu économiquement viable et moins compliquée puissance de pompe normalisée à celle du et, avec le temps, sont devenus très fi ables. à intégrer. seuil d’oscillation. La bande passante d’un laser Un laser télécom a, par exemple, une est légèrement supérieure à la fréquence durée de vie de l’ordre de 106 heures. Il Contrôler la puissance lumineuse d’un des oscillations de relaxation. Comme nous existe aujourd’hui un large éventail de

laser à des cadences extrêmement élevées le présentions, τp et τinv doivent être les plus lasers télécoms. peut paraître incongru. En effet, l’oscillation petits possible. Le taux de pompage doit, Les plus utilisés pour les liaisons de haut laser repose sur la présence d’une cavité quant à lui, être le plus grand possible. débit sont les lasers rubans à émission par optique dans laquelle la lumière fait plu- Dans un laser à semi-conducteurs, toutes la tranche (voir p. 23 et ﬁ gure 3b). Ils sont sieurs allers-retours. Ce processus prend un ces conditions sont réunies. En effet, constitués d’un empilement de couches

certain temps. On le caractérise par la durée comme nous venons de le voir, τp est de semi-conductrices plus ou moins dopées. de vie des photons, τp, qui correspond au l’ordre de la ps, τinv est de l’ordre de la ns Le conﬁ nement et le guidage de la lumière temps que met la cavité à se vider en et le taux de pompage est de l’ordre de 10, sont assurés par les contrastes d’indices entre

l’absence du milieu actif. τp dépend de la de sorte qu’on arrive à atteindre des bandes multicouches. Ces lasers sont généralement longueur d’un aller-retour dans la cavité, passantes de 20 GHz. Les lasers à semi- monomodes transverses, c’est-à-dire qu’ils ne

lcav, et de ses pertes p suivant la relation conducteurs sont, pour l’instant, les seuls guident qu’un seul mode de propagation, τp = lcav/cp, où c est la célérité de la lumière. lasers à répondre à tous ces critères comme pour les ﬁ bres monomodes. Pour Cette relation montre que la durée de vie simultanément. C’est pourquoi ils se sont les rendre monomodes longitudinaux, des photons dans la cavité est d’autant plus imposés naturellement dans le domaine c’est-à-dire monofréquences, on grave le petite que la cavité est courte et qu’elle des télécommunications optiques. long du guide un réseau de Bragg, qui sert présente des pertes élevées. Ainsi, un laser en outre à fixer la longueur d’onde qui répond rapidement doit avoir une d’oscillation pour les besoins de multi-

cavité courte et des miroirs faiblement Les lasers à semi-conducteurs : plexage en longueur d’onde. La puce ainsi réfl échissants. La conséquence directe est que des sources techniquement formée n’excède pas un millimètre cube le milieu actif doit, d’une part, être court et, et économiquement viables (fi g. 3c). Elle est généralement soudée sur d’autre part, fournir un gain suffi samment un support d’alumine, sur lequel sont élevé pour compenser les pertes de la cavité. Nous venons de voir que les liaisons disposés les circuits d’accès électriques et Dans un laser à semi-conducteurs, les optiques de haut débit imposaient aux une photodiode de contrôle. Le tout est cavités sont extrêmement petites : infé- sources lumineuses utilisées un nombre posé sur un élément Peltier, dont le rôle rieures au millimètre. Le gain lors d’un important de contraintes. Celles-ci trouvent est de réguler la température. Un isolateur simple passage est de l’ordre de 100, ce qui leur réponse dans les propriétés du rayon- optique et une optique d’injection dans la autorise des pertes élevées : de l’ordre de 10. nement laser et, plus particulièrement, dans fi bre viennent compléter l’ensemble. Un tel La durée de vie des photons dans la cavité les lasers à semi-conducteurs (voir l’article laser tient dans un boîtier d’un centimètre est alors de l’ordre de la ps. de S. Forget et al., p. 23). D’un point de cube (fi g. 3d). Mais ce n’est pas tout ! Le milieu actif vue économique, les télécommunications Lorsque les débits recherchés ne sont pas doit, en plus, pouvoir répondre rapidement optiques ne se seraient sûrement pas élevés, on a recours à des lasers non refroi- à une sollicitation extérieure. Autrement démocratisées sans ces derniers. En effet, dis, moins performants, mais beaucoup dit, l’inversion de population doit pouvoir quelle que soit l’origine des signaux à plus compacts et plus économiques. s’établir et disparaître très rapidement. Pour transmettre, ils fi nissent toujours par se D’autres technologies existent comme,

cela, la durée de vie du niveau excité, τinv, présenter sous forme électrique. Les lasers par exemple, les lasers à émission par la doit être courte, ce qui est a priori antino- à semi-conducteurs ont, en plus, le mérite surface (voir p. 23), qui sont bien adaptés mique avec l’obtention d’un gain élevé. d’être pompés électriquement. Ils sont aux ﬁ bres multimodes, donc à des liaisons De nouveau, les milieux actifs à base de donc parfaitement adaptés à la transmission courtes ou à faible débit.

74 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 – 20 Laser – 3 dB – 25 γ – 30

– 35

Fonction de transfert (dB) de transfert Fonction – 40 0 5 νr 10 15 20 Fréquence (GHz) – 20 Laser Module laser – 3 dB Puce laser Fibre optique –– 2025 Puce laser 10 μm Laser γ – 3 dB Guidage optique – 25 – 30 γ 1 μm –– 3035 Milieu actif – 35 Fonction de transfert (dB) de transfert Fonction – 40 0 5 νr 10 15 20

a (dB) de transfert Fonction – 40 Fréquence (GHz)500 μm 0 5 νr 10 15 20 100 μm Modulec laser Fréquence (GHz) Puce laser Émission laser Fibre optique 3 cm © Inst. Phys. Rennes - M. Alouini Puce laserModule laser 10 μm Puce laserGuidage optique – 20 Puce laser Fibre optique 10 μm Laser Guidage optique – 3 dB 1 μm – 25 γ Milieu actif 1 μm – 30

Milieu actif  Quelques exemples d’application des lasers – 35 500 μm 100 μm 500 μm (dB) de transfert Fonction – 40 Émission laser b © Inst. Phys. Rennes - M. Alouini 0 5 νr 10 15 3 cm d20 100 μm Émission laserFréquence (GHz) 3 cm © Inst. Phys. Rennes - M. Alouini Module laser Puce laser 3. Lasers à semi-conducteurs pour les télécommunications optiques. (a) Un laser télécom se comporte commePuce un circuit laser RLC, quiFibre présente optique une fréquence de 10 μm résonance νr et un taux d’amortissement γ. La rapidité avec laquelle on peut Guidagemoduler leoptique laser dépend de ces deux paramètres. (b) Section d’un laser à semi-conducteur à émission par la tranche. (c) Intégration de la puce laser dans un boitier télécom. Ce dernier contient, en plus de la puce laser, une optique d’injection dans la fi bre, les accès électriques et une photodiode de contrôle. L’ensemble est posé sur un module à effet Peltier qui régule la température du laser. (d) Vue d’un laser télécom dans son compartiment d’alimentation. © Inst. Phys. Rennes - M.1 μAlouinim Milieu actif

Finalement, il est important de mentionner500 μmConclusion Pour en savoir plus que ce sont aussi des lasers à semi-conducteurs 100 μm qui pompent les amplifi cateurs à fi bre Nous avons essayé en quelquesÉmission laser pages, et • I. Joindot et M. Joindot, Les Télécommunications par © Inst. Phys. Rennes - M. Alouini 3 cm dopée en erbium (EDFA). sans trop entrer dans les détails techniques, Fibres Optiques, Dunod, Paris (1996). Dans les liaisons excédant 200 km de de donner au lecteur un aperçu des raisons • G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, long, comme les liaisons sous-marines par qui font que les propriétés du rayonnement 3e édition, Wiley, New York (2002). exemple, ces amplifi cateurs sont disposés laser ont été déterminantes dans le déve- • G. P. Agrawal, Lightwave Technology, Wiley, New York tous les 150 à 200 km, afi n de compenser loppement des communications optiques (2005). les pertes de propagation. Ils sont constitués par fi bre. Les percées scientifi ques qui ont • E. Rosencher et B. Vinter, Optoélectronique, 2e édition, d’une vingtaine de mètres de fi bre mono- permis ce développement sont si nombreuses Dunod, Paris (2002). mode, dont le cœur est dopé à l’erbium. qu’il serait illusoire de vouloir les dénombrer • G. P. Agrawal and N. K. Dutta, Semiconductor Lasers, L’inversion de population est obtenue en sans en oublier. Hormis les lasers, elles e pompant optiquement la fi bre à l’aide concernent notamment le guidage de la 2 édition, Springer, Berlin (1993). d’une ou plusieurs diodes laser émettant à lumière, le traitement optique de l’infor- • E. Desurvire, Erbium-Doped Fiber Amplifi ers, Wiley, 980 nm ou à 1480 nm. L’amplifi cation a mation, l’amplifi cation optique à l’aide de New-York (2002). lieu ainsi directement dans le domaine terres rares, les technologies de détection, optique, sans avoir à reconvertir le signal l’électronique rapide, le traitement du signal, dans le domaine électrique. Il va de soi les algorithmes de correction d’erreur, les que ce schéma d’amplifi cation est incon- protocoles de codage, etc. Les télécom- tournable lorsque la liaison est multiplexée munications optiques ont constitué, et en longueur d’onde. Sans ces amplifi cateurs constituent encore, un prodigieux terrain optiques, les liaisons optiques transocéaniques de jeux pour des techniciens, ingénieurs et (1) Le chemin optique entre deux points A et B est et transcontinentales de haut débit n’auraient chercheurs d’horizons divers. Certaines de défi ni comme la distance AB parcourue par un rayon jamais vu le jour. ces percées scientifi ques ont été décisives. lumineux multipliée par l’indice de réfraction que le L’invention du laser en fait partie. ❚ rayon a rencontré lors de son trajet.

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 75 Les lidars atmosphériques

Jean-Pierre Cariou ([email protected]) et Laurent Sauvage Leosphere, 14-16 rue Jean Rostand, Parc Club Université, 91400 Orsay

Le LIDAR est un capteur de LIDAR est l’acronyme du terme LIght transformé par le système de détection Detection And Ranging. C’est un instrument optoélectronique en un signal électrique. mesure à distance par laser. de sondage atmosphérique à distance, Le lidar mesure l’intensité rétrodiffusée Rapidement, avec le dévelop- utilisant des ondes électromagnétiques au cours du temps pour la caractérisation optiques, de l’ultraviolet ( = 0,26 µm) à des aérosols et des gaz, et la fréquence du pement constant de nouvelles λ l’infrarouge (λ = 10 µm) [1]. signal rétrodiffusé pour la mesure du technologies laser plus Les premières mesures lidar concluantes décalage Raman et dans les lidars Doppler. ont été effectuées en 1962, afi n de vérifi er Il existe deux schémas de détection performantes, miniaturisées les possibles applications du laser à rubis lidar : la détection incohérente (ou directe) et fi ables, plusieurs domaines développé en 1960 par Ted Maiman. et la détection cohérente (ou hétérodyne, En France, le principe a acquis ses lettres utilisée pour la mesure de l’effet Doppler, d’application depuis le sol, de noblesse dans les années 70, avec son cf. pp. 80-81). Pour les lidars à détection et plus récemment depuis utilisation par Gérard Mégie pour le suivi de directe, le signal détecté est échantillonné l’ozone stratosphérique et la surveillance à haute fréquence pour chaque impulsion, l’espace, ont vu le jour. du trou d’ozone, à l’Observatoire de et cumulé dans un tableau. L’information Ils se fondent sur la mesure Haute-Provence et dans des stations proches temporelle, quant à elle, est multipliée du cercle polaire arctique. Depuis, la par la vitesse de la lumière pour obtenir résolue en distance technologie des lidars a suivi celle des lasers fi nalement le signal lidar en fonction de de composants comme et a diversifi é ses applications atmosphéri- la distance. L’inversion de ce signal consiste ques. Elle est désormais utilisée pour la à retrouver les profi ls des coeffi cients de les particules, caractérisation d’aérosols, de gaz, de champs rétrodiffusion et d’extinction de chaque la vapeur d’eau ou l’ozone, de vent, ou la mesure de températures. couche atmosphérique. Comme le signal Longtemps cantonnés aux laboratoires, d’une couche dépend de l’absorption des ou de paramètres comme les lidars sont, depuis peu, des outils couches inférieures, l’inversion utilise le vent et la turbulence. industriels fi ables et conviviaux, avec des des algorithmes itératifs (méthode de applications en qualité de l’air, météorologie, Fernald-Klett) et des valeurs initiales Les lidars sont actuellement sécurité aérienne et énergie éolienne. déduites des modèles de profi ls moléculaires. Deux types de diffusions sont rencontrées utilisés en routine pour Principe des lidars (voir encadré 1) : la surveillance du climat  une diffusion élastique : le photon est Le lidar est un procédé de détection à diffusé sans changement de fréquence (au et de la pollution ; distance, utilisant un laser. Celui-ci émet une décalage Doppler près, induit par le mou- ils permettront dans un futur impulsion brève de lumière (de 5 à 500 ns, vement des particules, voir encadré 2, p. 80). correspondant respectivement à des réso- C’est le cas de la diffusion de Rayleigh et proche d’augmenter lutions spatiales de 1 à 100 m), générale- de la diffusion de Mie ; la productivité des champs ment monochromatique (Δλ < 1 nm),  une diffusion inélastique, appelée aussi qui se propage dans l’atmosphère. Le diffusion Raman. Celle-ci est à l’origine d’éoliennes, et d’améliorer rayonnement émis va interagir avec les d’un décalage de la fréquence de l’onde la prévision météorologique particules et les molécules de l’atmosphère, diffusée par rapport à celle de l’onde inci- le long de la ligne de visée. Une partie de dente, et est propre à chaque molécule. et la sécurité sur les aéroports. l’intensité diffusée est renvoyée dans la Pour une distance de mesure de l’ordre direction opposée à l’impulsion laser ini- de 10 km, le rapport entre le nombre de tiale, on dit qu’elle est rétrodiffusée. Ce photons émis et le nombre reçu est de 1015 ! signal rétrodiffusé s’étale dans le temps, Il faut donc des lasers puissants (plusieurs proportionnellement à la distance des dizaines de millijoules (mJ) par impulsion) différentes couches traversées. Il est collecté et des photodétecteurs fonctionnant en à travers l’optique d’un télescope, et comptage de photons pour atteindre des

76 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 rapports signal sur bruit suffi sants. La limite de sensibilité est toutefois souvent liée au fl ux de fond de ciel qui, malgré les fi ltres interférentiels de largeur inférieure au nanomètre, crée un signal parasite dont les fl uctuations suivent une statistique de Poisson. La cadence de tirs laser est limitée à quelques kilohertz (kHz), pour éviter Détection de simulants d’aérosols biologiques avec le Lidar Téramobile(1) : le faisceau laser arrive de la gauche, illumi-  Quelques exemples d’application des lasers d’émettre une nouvelle impulsion avant ne le brouillard produit dans le tube et permet de l’analyser. © CNRS Photothèque / Université Jean Moulin Lyon 3 / GRATIE Alexis. la réception de la précédente. (1) Voir G. Méjean et al., Refl ets de la physique n°1 (2006) 10-13. Par rapport au radar, le lidar offre une excellente directivité et résolution angu- laire, bien adaptée à la cartographie 3D de structures (panaches, tourbillons, nua- Les différents mécanismes de diffusion du rayonnement laser ges). Par rapport aux caméras infrarouges, Encadré 1 il offre, pour la détection de gaz, l’accès à une La diffusion élastique : régimes de Rayleigh et de Mie information en distance, et un fonction- La diffusion élastique se produit sans échange d’énergie entre les photons incidents et la nement indépendant des conditions de particule rencontrée. Le photon est alors diffusé sans changement de fréquence, au décalage luminosité ou de température de la scène. dû à l’effet Doppler près (cf. encadré 2, p. 80). On distingue la diffusion Rayleigh (lorsque la taille r du diffuseur est largement inférieure à la longueur d’onde λ) et la diffusion de Mie (r ~ λ). La section efficace de diffusion varie comme (r/λ)4 pour le régime de Rayleigh, oscille Les applications du lidar fortement en régime de Mie, et varie en (r/λ)2 pour les valeurs élevées de r (régime Le lidar est surtout utilisé pour la géométrique). La diffusion de Mie diffère selon la polarisation si la particule est non sphérique, recherche atmosphérique et la météorologie ce qui permet de discriminer sa nature (eau ou glace, sable ou pollution). (mesure de la vitesse du vent par effet 10- 8 Doppler). Dans la suite de cet article, nous nous concentrerons sur ces deux 10- 10 ) applications. 2 - 12 10 Régime géométrique Plus récemment, un certain nombre 2 d’applications de topographie et de carto- σ α r 10- 14 graphie ont été mises au point, en utilisant Régime de Mie le lidar en visée « vers le bas » à bord - 16 Variation de la section effi cace de diffusion 10 d’aéronefs ou de satellites.

Section efficace σ (m Régime de Rayleigh élastique d’un rayonnement laser par une - 18 En géologie et sismologie, un système 10 σ α r4 particule sphérique, en fonction du rayon utilisant un GPS et un lidar embarqués a r de la particule (λ = 1550 nm). 10- 20 donné naissance à un outil hautement ﬁ able 10- 2 10- 1 100 101 102 103 pour détecter les failles et les mouvements Rayon (μm) de terrain. La précision atteinte est remar- La diffusion inélastique (diffusion Raman) quable : on peut ainsi mesurer l’élévation La diffusion Raman consiste en la diffusion inélastique d’un photon par le milieu, qui retire d’un terrain à travers les arbres comme, (raie Stokes) ou ajoute (raie anti-Stokes) de l’énergie au photon et en modifie donc légèrement par exemple, pour la localisation de la la fréquence. Cet échange provient de l’absorption ou de l’émission de quanta de vibration et faille de Seattle aux États-Unis. rotation de la molécule, et est donc caractéristique du milieu. Le décalage en longueur d’onde Le lidar a également trouvé de nombreu- ne dépend pas de la longueur d’onde d’excitation. La mesure consiste à sélectionner la lumière ses applications dans le domaine forestier : diffusée par un filtre interférentiel étroit (∆λ ∼ 1 nm) autour du décalage propre au gaz à analyser hauteurs de canopée (étage supérieur de la (N2, O2, H2O…). Son inconvénient majeur est la faible section efficace de diffusion, qui nécessite forêt), mesures de biomasse…, peuvent être un laser puissant et une détection très performante. obtenues à l’aide de systèmes embarqués. >>>

Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 77 >>> Le lidar pour les mesures présent, la détection de ces nuages par des atmosphériques capteurs passifs était rendue diffi cile, en raison de leur altitude et de leur faible Le changement climatique mondial est épaisseur optique. devenu l’une des principales menaces Dans le domaine atmosphérique, le lidar pour notre civilisation. En effet, en plus est utilisé comme un instrument de des émissions de particules naturelles, les détection à distance pour mesurer la den- activités anthropogéniques modernes sité de certains composants de la moyenne rejettent dans l’atmosphère une énorme et de la haute atmosphère, tels que le quantité de particules et de gaz à effet de potassium, le sodium, l’azote et l’oxygène serre. La concentration, l’âge, la taille, la moléculaires. On peut ainsi en déduire forme, la nature et l’altitude de ces parti- des températures. cules sont très variables. Ces paramètres Les lidars ont offert aux chercheurs une impactent globalement et localement le information nouvelle, en fournissant en bilan radiatif de plusieurs façons, par la continu des données sur la distribution diffusion ou l’absorption vers le bas et vers verticale des aérosols et des couches le haut des rayonnements émis par le soleil nuageuses élevées. La surveillance résolue ou d’autres sources indirectes. Ainsi, il est spatialement de la troposphère est pri- largement reconnu (rapport du GIEC 2001) mordiale pour les groupes de recherche que les principales incertitudes sur la impliqués dans la météorologie, l’astro- Références modélisation des changements climatiques physique, les changements climatiques ou 1 • V.A. Kovalev et W.E. Eichinger, Elastic Lidar: Theory, sont liées à notre connaissance limitée la qualité de l’air. La fi gure 1 montre un Practice, and Elastic Methods, John Wiley & Sons, Inc. des effets directs et indirects des aérosols profi l atmosphérique, mesuré en fonction (2004). (poussières minérales, combustibles fossiles, du temps. On y distingue la couche (2) 2 • A. Dolfi -Bouteyre et al., “Aircraft wake vortex study interaction aérosols-nuages). limite atmosphérique et les différents and characterisation with 1.5 µm fi ber laser Doppler Les nuages froids de haute altitude vont types de nuages. Lidar”, Aerospace Lab (The ONERA Journal), n° 1 aussi limiter la modélisation du climat. Ils (décembre 2009). infl uencent grandement le bilan radiatif Surveillance des aérosols (1) 3 • K. Sanderson, “Out of the ashes”, Nature 465 (2010) (par leur albédo ) et l’effet de serre, qui Les aérosols troposphériques (jusqu’à 544-545. www.nature.com/news/2010/100602/ dépend de leur hauteur et de leurs pro- 10 km) proviennent de diverses sources, full/465544a.html pr iétés opt iques et m icrophysiques. Jusqu’à naturelles ou non (poussières, embruns,

15 14 13 12 100 11 80 10 9 Cirrus 60 8 7 40 6 Altitude (km) 5

Alto-cumulus 20 (u.a.) Concentration 4 Stratus 3 Couche limite atmosphérique (CLA) 0 2 1 0 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h 19h 20h Heure locale

1. Observation des nuages d’altitude avec le lidar aérosol, effectuée à la verticale d’Orsay (Essonne). L’abscisse est le temps, l’ordonnée l’altitude. La couleur, du bleu au rouge, exprime la concentration croissante d’aérosols. On distingue la couche limite atmosphérique (CLA) sous 1500 m (jaune-orange), et les différents types de nuages. La zone bleue entre 3000 m et 6000 m représente le fond de diffusion Rayleigh, sans particules. Les zones granuleuses au-dessus des nuages n’ont pas pu faire l’objet de mesures, le faisceau étant absorbé par le nuage.

78 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 cendres volcaniques, incendies de forêts, physiques des particules (granulométrie, convectifs de cellules, des ondes de gravité(4), combustibles fossiles, combustion de indice complexe). et d’autres effets dynamiques. Des mesures moteurs, activités ou cultures agricoles, de faisabilité à courte distance, en intérieur etc.). Ils sont très variables dans l’espace Surveillance de la qualité de l’air dans un réseau souterrain, ont donné des et le temps et ils peuvent avoir, directe- La couche limite atmosphérique résultats tout à fait probants. Les impulsions ment ou indirectement, un impact (par (jusqu’à 2 à 3 km) contient la plupart des sont généralement courtes (10 ns), conduisant l’interaction avec les nuages) sur le bilan aérosols atmosphériques, en particulier à des résolutions spatiales élevées (1,5 m). radiatif. Leur localisation et caractérisation les polluants émis par des sources locales est aujourd’hui possible. Les lidars UV ou éloignées (fi g. 2). Il est indispensable Surveillance des nuages permettent la détection précise des diffé- pour l’analyse d’avoir la capacité d’enre- Les effets locaux de refroidissement ou rents aérosols, comme les poussières gistrer l’évolution rapide de la hauteur de de réchauffement à chaque niveau de transportées du désert de Gobi vers l’est cette couche d’inversion et des différentes l’atmosphère dépendent de l’existence de de la Chine, le Japon et même les États- strates résiduelles. On peut ainsi mieux nuages, de leur répartition, leur hauteur Unis, les particules d’incendies de forêt représenter les réactions photochimiques et leur morphologie, ainsi que de leurs transportées d’Amérique du Nord ou de et la dispersion des différents composants propriétés optiques. Le comportement Sibérie vers l’Europe… Plus la longueur dans les modèles de prévisions météoro- des nuages, la façon dont ils absorbent ou d’onde est courte, plus le lidar est sensible logiques et de qualité de l’air environnant. émettent les rayonnements visible et aux petites particules. Ainsi, un lidar UV En outre, le contrôle de la concentration infrarouge, infl uencent fortement le bilan à 355 nm (laser YAG triplé en fréquence), massique des particules au-dessus des zones radiatif global de la Terre. tel que l’ALS450 développé par Leosphere polluées est actuellement un grave problème  Quelques exemples d’application des lasers (voir ci-après), peut mesurer aussi bien la pour la plupart des preneurs de décisions concentration des aérosols de taille supé- de zones urbaines. La cartographie hori- Le lidar atmosphérique ALS450 est issu de rieure à 50 nm que celle des molécules zontale des taches de pollution (fi g. 3) 15 ans de recherches (CNRS, CEA). C’est d’azote ou de vapeur d’eau. Le signal de aide les autorités à améliorer l’effi cacité maintenant un système industriel fi able et diffusion optique est traduit en extinction de leur politique. Le lidar peut, par validé. Toutefois, de nombreux développements linéique(3), par calibration sur la diffusion exemple, suivre en 3D la dispersion vers sont toujours en cours, comme la mesure de la moléculaire ou par la connaissance de la les habitations, de polluants provenant de diffusion Raman, soit sur l’azote pour une transmission optique globale grâce à un sources locales (usines, routes). Enfi n, comme calibration du système dans les hautes couches photomètre. La transformation en les particules peuvent être utilisées comme de l’atmosphère (absence d’aérosols), soit sur concentration massique nécessite, en plus, traceurs des mouvements de l’atmosphère, H2O pour connaître le taux de vapeur d’eau une connaissance des propriétés micro- le lidar peut y détecter des mouvements dans l’air. >>>

2,5

1,5

1 Altitude (km)

0,5

0 0h 2h 4h 6h 8h 10h 12h Heure locale

2. Stratiﬁ cation des aérosols dans la couche limite. 3. Carte de pollution mesurée avec un lidar aérosol, (Code de couleur identique à celui de la fi gure 1). aux alentours du périphérique parisien. Les zones rouges indiquent de fortes concentrations. Les zones bleues proviennent de masques physiques sur le signal.

Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 79 >>> Le lidar pour les mesures de vent Le lidar peut également être utilisé pour estimer la vitesse du vent, en mesurant le décalage fréquentiel Doppler (encadré 2) du laser, par diffusion sur les particules portées par le vent. Il remplace les mats de test pour les campagnes de mesures sur les champs d’éoliennes et procure un important gain de temps et d’argent. La rentabilité d’un projet de parc éolien dépend de deux défi s majeurs : la réduction de l’incertitude sur la production attendue, et la réduction du coût et des risques du projet. De plus, toutes les incertitudes concernant les prévisions des ressources en vent deviennent critiques. Les concepteurs de turbine, les déve- loppeurs et les opérateurs ont besoin d’accéder à distance à de multiples données sur le vent : profi l vertical, cartographie de la vitesse et de la direction, variations (cisaillement de vent et turbulences). Les mats de mesure actuels ont une hauteur 4. Lidar WINDCUBE sur site éolien. Les fl èches indiquent les directions des quatre faisceaux de 60 m, alors que le sommet des pales laser, utilisés pour restituer les trois composantes du vecteur vent. Le WINDCUBE™ a été des éoliennes culmine à 200 m. L’installation développé par Leosphere, avec une technologie ONERA pour ce besoin précis. Il utilise un d’un mat nécessite un permis de construire ; amplifi cateur laser à fi bre optique à 1550 nm, issu des technologies de télécommunications. certains sites complexes (ainsi évidemment Ce lidar a été testé et validé par des organismes indépendants, et a obtenu des performances que les sites en mer) ne peuvent pas en inégalées en précision de vitesse (0,1 m/s). accueillir. L’installation facile des profi leurs de vent lidar permet d’accélérer et de simplifi er les procédures administratives. Au lieu d’extrapoler empiriquement les données du mat, le lidar mesure directement le vent à toutes les altitudes souhaitées. Sa petite taille permet également de le déplacer dans le parc éolien (fi g. 4), à la différence des mats, fi xes par nature. Une prochaine génération de « lidars vent » sera embarquée sur les turbines et permettra de mesurer en amont le vent incident, pour optimiser le rendement des éoliennes. Principe de fonctionnement Le lidar vent diffère du lidar aérosol par sa détection cohérente (ou hétérodyne, voir encadré 3). La lumière rétrodiffusée par 7. Tourbillon de sillage derrière un avion. les aérosols est collectée, et interfère avec

L’effet Doppler Encadré 2 L’effet Doppler-Fizeau est le décalage de fréquence d’une onde (électromagnétique ou acoustique) entre la mesure à l’émission et la mesure à

la réception, lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Dans sa formulation galiléenne (Vr << c), la fréquence

reçue νrec subit un décalage par rapport à la fréquence émise ν, et vaut : νrec = (1 – Vr/c)ν, avec Vr vitesse radiale relative de déplacement. Dans le cas du lidar, la particule en mouvement voit l’onde laser avec un premier décalage de fréquence à sa réception, et rediffuse le rayonnement vers

le lidar avec un second décalage identique. La fréquence Doppler associée est donc : fd = 2Vr/λ, soit environ 1,3 MHz par m/s, à λ = 1,5 µm.

80 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 V un oscillateur optique local pour créer un r signal de battement (fi g. 5). Le signal élec- Aérosols tronique, copie fi dèle en amplitude et phase du signal optique, est numérisé et traité pour mesurer le décalage de fréquence Doppler V induit par les mouvements des aérosols. Vitesse ν + f On peut ainsi effectuer une mesure du vent l d absolue de la vitesse radiale du vent, selon νl la ligne de visée du lidar. La résolution en altitude provient de la mesure du temps de Optique de collimation (télescope) propagation des impulsions. La résolution spatiale est constante sur toute la portée, grâce à l’utilisation d’une source impul- sionnelle. Outre la position de la fréquence Doppler, l’élargissement spectral donne Détecteur Interféromètre Laser accès à la turbulence locale, et l’intensité du signal de retour à la concentration Analyse relative des aérosols. spectrale

Récupération du vecteur vent 3D  Quelques exemples d’application des lasers Le lidar Doppler mesure uniquement la 5. Principe du lidar Doppler hétérodyne. composante du vent projetée sur l’axe de visée (vitesse radiale). Pour restituer les trois composantes du vecteur vent, quatre lignes de vue sont successivement analysées et les mesures sont combinées (ﬁ g. 6). Pour des impulsions de 200 ns, le champ de vent récupéré N correspond à une moyenne sur une couche atmosphérique d’environ 20 m d’épaisseur, O E centrée sur au moins dix altitudes, de 40 à S 220 m (application de prospection d’énergie éolienne). Chaque axe de visée est sondé en une seconde, pendant laquelle 20 000 + 10 m impulsions sont émises. Le traitement Altitude moyenne d’analyse spectrale est effectué en temps – 10 m réel par un processeur dédié. En augmentant la puissance du laser et la taille du télescope, il est possible de mesurer Volumes le vent à des altitudes plus importantes, sondés jusqu’à 10 km. Dans les applications météorologiques, on étudie les phénomènes de convection dans la couche limite. Cette avancée intéresse également les responsables de sécurité aérienne pour une détection en temps réel, sur les aéroports, des turbulences naturelles ou créées par les avions (rafales, tourbillons de sillage 6. Reconstruction du vecteur vent avec le lidar Doppler WINDCUBE. (ﬁ g. 7), cisaillements de vent, etc.) [2]. >>>

Détection cohérente (ou hétérodyne) Encadré 3 L’hétérodynage est une technique de transposition dans le spectre des radiofréquences d’un signal optique, qui conserve ses propriétés d’amplitude et de phase. Elle consiste à superposer sur un détecteur l’onde signal à analyser avec une fraction d’une onde de référence, classiquement issue du laser d’émission (fig. 5, droite). La fréquence différence est assimilable à une fréquence de battement, comme celle audible entre deux instruments légèrement désaccordés. Ce principe permet de mesurer les très petits décalages de fréquence comme ceux obtenus par décalage Doppler sur des particules se déplaçant à quelques m/s (encadré 2). Une grande exigence est nécessaire, aussi bien quant à la qualité spectrale de la source (meilleure que l’inverse de la durée de l’impulsion) qu’en ce qui concerne la qualité spatiale des fronts d’onde proches des limites de diffraction. Un avantage décisif de la détection cohérente est d’être limitée par le bruit de photon du signal, même avec des détecteurs non parfaits.

Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 81 >>> La mesure des particules La fi gure 8 montre le passage du nuage fond et se dilue dans la couche limite volcaniques à la verticale de Paris, du 17 au 19 avril. atmosphérique (zone blanche) à partir du Afi n de distinguer le nuage de cendres 19 avril. Lors de l’épisode du passage du nuage d’autres nuages, une mesure en polarisa- La fi gure 9 illustre la capacité du lidar volcanique islandais Eyjafjallajokull, en tion croisée avec la polarisation linéaire Doppler à mesurer le vent à haute altitude. avril 2010, les lidars aérosol et Doppler d’émission est effectuée. Le rapport de Les barbules superposées à la carte de ont été mis à contribution, les premiers dépolarisation mesure la non-sphéricité densité relative du nuage volcanique, pour la détection, l’identifi cation et la des aérosols et aide à leur identifi cation. indiquent la force et la direction du vent mesure de la concentration des couches Le nuage, étalé sur 1 km d’altitude, des- horizontal aux différents points, permettant de cendres, les seconds pour la mesure de cend progressivement au-dessus de la de prévoir la trajectoire future du nuage. la vitesse de déplacement et la prévision station de mesure (ellipse orange). La Le 17 avril 2010, le vent vient du nord-est de la trajectoire du nuage [3]. partie basse du nuage (ellipse rouge) se le matin, et tourne au nord-ouest le soir. Conclusion

900 Les lidars ont pleinement bénéfi cié des 6 avancées des lasers au cours du demi-siècle 800 passé. C’est cependant dans le sondage 5 atmosphérique que le lidar a le plus évolué, 700 chaque progrès technique, chaque nouvelle longueur d’onde trouvant son application 4 600 dans la mesure des gaz, des particules ou Particules non-sphériques du vent. Grâce à la montée en puissance 500 des diodes laser, des barreaux de verres 3 Nuages touchant la couche limite dopés et des fi bres optiques amplifi catrices, Altitude (km) 400 des systèmes lidar compacts et fi ables ont pu être récemment développés indus- 2 300 triellement pour servir les marchés de la qualité de l’air, de la météorologie, de Signal en polarisation croisée (u.a.) 1 200 l’énergie éolienne et bientôt de la sécu- rité aérienne. Des lidars spatiaux ont été 100 ou vont être lancés (Calypso 2008, 0 Aladin-Aeolus 2012) pour fournir une 17/04 18/04 19/04 20/04 21/04 cartographie globale des aérosols atmos- Date (jj/mm) phériques et du vent sur la planète. Orienté sur des problématiques sociétales 8. Observation de l’arrivée du nuage volcanique islandais au-dessus de Paris, en avril 2010, avec un lidar actuelles (climat, qualité de l’air, énergies aérosol ALS450 (longueur d’onde 355 nm, résolution spatiale 15 m, résolution temporelle 30 s). renouvelables), le domaine reste également actif au niveau de la recherche académique, où de nouveaux principes et nouveaux composants sont en permanence évalués 3,5 et améliorés. ❚ - 5

Nuage (1) L’albédo est une grandeur sans dimension, rapport 3 volcanique - 10 de l’énergie solaire réﬂ échie par une surface à 17 avril 2010 l’énergie solaire incidente. (2) La couche limite atmosphérique (CLA) est la - 15 zone de l’atmosphère entre la surface (terre ou mer), où la friction ralentit le déplacement de l’air, et l’atmosphère libre, où cette friction devient

Altitude (km) 2,5 - 20 négligeable. Du fait de l’inversion du gradient de température à son sommet, elle concentre la majorité des particules créées au niveau du sol, et donc les - 25 polluants. (3) Le coefﬁ cient d’extinction linéique est la fraction, par unité de longueur, du ﬂ ux prélevé (par absorption 2 Coefficient de rétrodiffusion relatif (dB) - 30 ou diffusion) par l’atmosphère dans la direction 7h 12h 17h 22h initiale de propagation. Temps (4) Dans ce contexte, on appelle onde de gravité une onde de pression de l’air, à ne pas confondre 9. Champ de vent dans le nuage volcanique islandais mesuré en fonction du temps et de l’altitude, avec une onde gravitationnelle. superposé à la carte de densité relative du nuage. Mesures effectuées avec un lidar Doppler WINDCUBE 200, le 17 avril 2010, dans la zone correspondant à la partie gauche de la fi gure 8.

82 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Système expérimental d’extraction des gaz par ablation laser, permettant de connaître leur composition en  Quelques exemples d’application des lasers fonction de la profondeur dans l’échantillon (CRPG, Vandœuvre-lès-Nancy). © CNRS Photothèque / MANBERT Thierry. Deux exemples d’applications L’industrie est un grand consommateur de lasers, industrielles des lasers que ce soit pour l’usinage et la transformation des La fabrication des cellules photovoltaïques matériaux ou pour l’instrumentation industrielle. et la spectroscopie d’émission Dans cet article, Philippe Aubourg(1) ([email protected]), François Fariaut(2), deux exemples de nouvelles Patrick Mauchien(3) et François Salin(4) (1) Quantel, 2 bis avenue du Pacifi que, BP 23, 91941 Les Ulis Cedex. (2) IVEA SAS, 9 rue Raoul Dautry, 91190 Gif-sur-Yvette. utilisations industrielles (3) Département de physico-chimie, CEA/Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette. (4) Eolite Systems, Cité de la photonique, 33600 Pessac. de sources lasers sont décrits : • l’usinage appliqué aux cellules photovoltaïques de haut Les efforts scientifi ques et technologiques requises. Plus tard, l’arrivée des diodes qui ont précédé le premier photon généré lasers, des lasers à solides pompés par rendement, pour lesquelles par le laser à rubis de Ted Maiman, diodes, des lasers femtoseconde, des lasers la forte demande commerciale étaient principalement motivés par des à fi bres, puis des VECSELs (Vertical- besoins aéronautiques. Ce n’est pas le fait External Cavity Surface-Emitting Lasers, exige des cadences du hasard si ce succès s’est passé dans les lasers à semi-conducteur pompés opti- de fabrication élevées ; laboratoires de Hughes Aircraft. Mais de quement) a changé la palette de choix, et nombreux chercheurs avaient en tête des certains pionniers comme les lasers à • la spectroscopie LIBS, applications industrielles et médicales, argon ou hélium-néon ont pratiquement qui répond aux nouvelles qui ne demandaient que la mise sur le disparu. marché de lasers adaptés. préoccupations environne- Après quelques années, l’offre s’est sta- Les applications industrielles des lasers mentales, ainsi qu’aux exigences bilisée autour de quelques types de lasers : sont divisées en deux grands secteurs : Nd:YAG, CO2, excimère, hélium-néon, l’usinage des matériaux et l’instrumenta- industrielles d’optimisation argon, hélium-cadmium… selon la lon- tion. Dans la suite, un exemple pour des ressources énergétiques. gueur d’onde et la puissance ou l’énergie chacun de ces secteurs est abordé. >>>

Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 83 >>> Le photovoltaïque Un nouveau procédé de dopage du Usinage des matériaux silicium permet d’augmenter le rendement L’industrie photovoltaïque représente des cellules de 5 %, ce qui représente des une opportunité très importante pour les centaines de millions d’euros d’électricité Problématique générale lasers industriels. La croissance de ce par an. Ce procédé, dit d’émetteur sélectif, du choix du laser marché est supérieure à 40 % par an, et utilise un ou plusieurs lasers nanoseconde l’utilisation des lasers dans la fabrication pour réaliser un surdopage local du Le choix du laser est d’abord basé sur les des cellules et des modules solaires croît silicium aux emplacements où seront caractéristiques de l’interaction souhaitée tous les jours. La production directe ensuite déposées les lignes métalliques de et du matériau à traiter. d’électricité à partir de l’énergie solaire l’électrode avant. Les surfaces à traiter en se fait selon deux technologies très des temps très courts imposent, de nouveau, Laser continu ou à impulsion ? différentes : le silicium cristallin et les des lasers de très fortes puissances moyennes La soudure et la découpe épaisse couches minces. (> 100 W) dans le vert, avec des qualités demandent une puissance moyenne de faisceau excellentes. La demande pour importante : on se dirigera alors vers des Cellules en silicium cristallin ce type de procédé ne fait que commencer, lasers continus. L’ablation, le marquage par Ces systèmes utilisent des plaquettes de mais elle peut représenter à elle seule un oxydation ou la découpe fi ne nécessitent silicium monocristallin ou multicristallin, marché de plusieurs centaines de lasers une puissance instantanée (puissance de dimensions habituelles 156 × 156 mm2, par an. crête) importante pour générer un champ et sur lesquelles sont élaborées une couche Dans un terme plus lointain, il est électrique local élevé : on préférera alors p-n(1), puis une couche antirefl ets et des envisagé de percer environ trente mille un laser à impulsion. électrodes. Cette technologie représente trous de 30 µm de diamètre dans chaque 75 % du marché actuel, et les cadences cellule de 180 µm d’épaisseur, pour Laser ultraviolet ou infrarouge ? industrielles sont typiquement de 1800 à transférer les électrons vers l’électrode

L’infrarouge lointain (laser CO2) sera 3500 cellules par heure. arrière, sans recourir à des électrodes en utilisé pour une application purement Les lasers sont pour l’instant essentiel- face avant. Cette technique part du thermique (soudure). L’infrarouge proche lement utilisés pour faire une isolation principe des trous métallisés, largement (laser Nd:YAG ou à fi bre dopée en ytter- électrique entre les faces supérieure et employé dans les circuits imprimés, pour bium) générera une ionisation (oxydation, inférieure de la cellule(2), en gravant une établir une connexion entre les deux faces nettoyage de surface). L’ultraviolet (laser tranchée d’environ 30 µm de large sur d’un circuit. Dans le cas du photovoltaïque, excimère ou harmoniques du Nd:YAG) 20 µm de profondeur, à 100 µm du bord elle évite la grille en face avant, respon- permettra une ablation de grande précision de la cellule. La diffi culté est d’introduire sable d’une perte de lumière, et permet (photolithographie). le moins possible de défauts autour de la d’envisager un nouveau procédé de réali- gravure. On utilise pour cela des lasers sation de modules, totalement automati- Au-delà de ces grandes lignes il faut, émettant des impulsions de 10 ns dans le sable. Il suffi t, en effet, de presser les bien entendu, tenir compte du spectre vert (515 ou 532 nm) et de très fortes cellules sur un circuit imprimé constituant d’absorption des matériaux, des phénomènes puissances à haute cadence (> 100 kHz). la face arrière du module et comportant multiphotoniques (comme dans le cas des Les vitesses de gravure actuelles, de l’ordre des pistes métallisées, pour réaliser lasers femtosecondes). Vient ensuite l’analyse de 600 mm/s, limitent la production à l’interconnexion en série ou en parallèle économique du procédé industriel : mon- deux mille cellules à l’heure ; l’industrie des cellules. Mais percer autant de trous tant de l’investissement, coût d’entretien, bascule actuellement sur des lasers de très en un temps de cycle de l’ordre d’une coût des consommables (électricité, gaz, forte puissance, comme le laser à fi bre seconde, sans endommager la cellule, lampes fl ash…), évaluation des cadences BOREAS 60G de EOLITE Systems, qui reste un challenge diffi cile à atteindre. de production (liées généralement à la peut produire 60 W à 515 nm et conduit puissance moyenne du laser)… à des vitesses de gravure supérieures à Panneaux en couches minces L’élaboration de nouveaux matériaux 1200 mm/s (fi g. 1). Cette technologie utilise des substrats, (les supraconducteurs, certains matériaux essentiellement en verre, mais également magnétiques et les nanomatériaux) fait en métal ou en plastique, sur lesquels sont appel à l’assistance de lasers spécifi ques au déposées des couches minces composant cours de leur fabrication. les deux électrodes et la couche active. De même, le développement rapide de Les épaisseurs sont de l’ordre du micron. l’industrie photovoltaïque demande de S’il était uniforme, un tel module pro- nouvelles sources à impulsion à haute duirait environ 150 W/m2, mais sous une fréquence et forte puissance moyenne, de tension de 0,8 V. Le courant serait alors façon à faire face aux cadences industrielles. énorme, ce qui rendrait diffi cile son utilisation. Le procédé consiste à découper des bandes d’environ 1 cm de large sur 1. Trait de 30 µm de largeur, tracé à 1,2 m/s dans ces panneaux, et d’en faire autant de du silicium cristallin, pour l’isolation électrique cellules individuelles qui sont reliées en entre les deux faces d’une cellule solaire. série. Il convient alors de graver chaque

84 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 couche après son dépôt, pour l’isoler de la bande adjacente ou, au contraire, créer un contact(3). En fonction de la nature de la couche active, on utilise des lasers nanoseconde ou picoseconde. Dans le cas de CIGS(4), la première couche est métallique (molybdène), et des impulsions de 10 ns avec une longueur d’onde de 1 µm conviennent parfaitement. La couche active peut aussi être en silicium amorphe, et les lasers nanoseconde verts (510, 532 nm) sont utilisés (meilleure absorption). La tendance est d’utiliser de plus en plus de CIGS. Or, celui-ci devient métallique dès qu’on le chauffe. Il faut alors se tourner vers des lasers picoseconde verts ou UV. La dernière gravure consiste à isoler les bandes, en enlevant à la fois la 2. Analyse par LIBS de la qualité de l’air dans une fonderie (IVEA/INERIS) couche active et l’électrode supérieure ; elle s’effectue avec des lasers verts nano-  Quelques exemples d’application des lasers seconde ou picoseconde. Un laser impulsionnel et une optique Sur un panneau, ces gravures représen- Instrumentation de focalisation permettent d’obtenir au tent plus de 350 m linéaires d’usinage, industrielle niveau de la surface du matériau une avec une largeur typique de 50 µm, et une irradiance suffi sante (typiquement de tendance à la réduction de la dimension La maîtrise des procédés de fabrication, quelques GW/cm2, sur une surface de du trait pour limiter la zone morte du le contrôle qualité, le contrôle de l’envi- diamètre compris entre quelques microns panneau. Pour une production d’un ronnement et l’optimisation des coûts de et quelques centaines de microns, selon le panneau par minute, il faut utiliser des production entraînent un développement besoin), pour produire la vaporisation lasers de relativement forte puissance (de rapide de l’instrumentation industrielle. brutale de la surface éclairée. Une faible 10 à 30 W) et travailler en parallèle, en La spectroscopie, ainsi que les mesures de quantité de matière (inférieure au micro- partageant le faisceau en plusieurs copies distances et de vitesses, basées sur l’utili- gramme) se trouve ainsi transformée en identiques gravant chacune un trait. La sation de lasers, sont maintenant entrées un microplasma transitoire très chaud et manipulation de plusieurs faisceaux sur dans le monde industriel. Pour ces deux très dense. Après l’impulsion laser, le des distances supérieures à un mètre, tout domaines, comme pour l’usinage, des plasma se détend et se refroidit en émettant en conservant une précision de gravure sources continues ou à impulsions, un rayonnement lumineux. de quelques microns, est un challenge émettant de l’ultraviolet à l’infrarouge, Ce rayonnement, constitué initialement important pour les fabricants de machi- sont utilisées. Généralement, elles sont d’un fond continu à spectre large (rayon- nes. Une solution alternative existe, en moins puissantes que pour l’usinage des nement de corps noir), évolue au fur et à transportant les différents faisceaux dans matériaux. On recherche alors des per- mesure du refroidissement du plasma vers des fi bres optiques spéciales, capables de formances en stabilité, qualité de faisceau, un spectre de raies caractéristiques des supporter les grandes puissances crêtes ou spectre d’émission adapté. Dans ces éléments le constituant. La durée de vie du des impulsions (OCTOPUS, EOLITE). nouveaux domaines, le choix des sources plasma est comprise entre 10– 7 et 10 – 5 secon- lasers se fait également sur des critères des, selon le volume de matière vaporisé. En résumé, la fabrication de cellules et économiques, qui sont similaires à ceux Un système optique collecte une partie de panneaux solaires utilise de plus en considérés dans l’usinage. de la lumière émise par le plasma vers un plus intensivement des lasers. Les caracté- L’un des domaines actuellement en spectromètre équipé d’un détecteur. Le ristiques d’absorption des matériaux et développement rapide est la LIBS (Laser signal émis par le plasma dépendant du l’usinage par ablation imposent des lasers Induced Breakdown Spectroscopy). temps, un générateur de retard et un nanoseconde ou picoseconde dans le générateur de porte sélectionnent l’instant vert ; la largeur de la gravure demande La technique LIBS et la durée de l’acquisition. Il est ainsi une bonne qualité de faisceau (< 1,2 fois possible de s’affranchir en grande partie la limite de diffraction), la productivité La LlBS est une technique d’analyse de du fond continu émis à l’origine par le industrielle est liée à la puissance moyenne la composition chimique des matériaux, plasma très chaud, et de ne détecter que (10 – 100 W), la fi abilité et le coût limitent qui présente un large ensemble de carac- le signal caractéristique des atomes et des l’énergie par impulsion, donc induisent téristiques attrayantes : analyse multi- ions du plasma. des cadences élevées (100 kHz – 10 MHz). élémentaire simultanée, applicable à tout Le tout est piloté par un système de Ce marché est en forte croissance, et peut type de matériau (solide, liquide, gaz, contrôle/commande ; un logiciel d’ac- représenter à terme un des débouchés les aérosol) en temps réel, à distance (fi g. 2). quisition détermine l’intensité reçue en plus importants pour ce type de source. fonction de la longueur d’onde. >>>

Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 85 >>> Le traitement du spectre permet de et même un micromètre, avec possibilité Domaines d’application reconnaître les raies qui le composent et, de réaliser des microcartographies. Maîtrise des procédés industriels et des impacts par comparaison à une base de données,  Large plage d’analyse : la limite de environnementaux d’identifi er les éléments chimiques pré- détection usuellement atteinte varie de Les gains de productivité et la régle- sents dans le plasma (fi g. 3). la fraction de ppm (partie par million) mentation toujours plus exigeante, obligent à quelques centaines de ppm, selon en permanence les industriels à mieux Détermination des concentrations l’élément et le matériau. maîtriser leurs procédés, de la qualité des et reconnaissance des matériaux matières premières consommées (dimi- Du fait de la rapidité de l’éjection de Spectromètres LIBS nution des rebuts et maîtrise des délais) matière, le plasma a la même composition Les premiers analyseurs LIBS industriels jusqu’au suivi en temps réel des rejets que le matériau d’origine, donnant ainsi sont désormais proposés à la vente (fi g. 3). industriels, et leur valorisation. C’est, en accès à des mesures quantitatives fi ables. Pour la création du plasma, les lasers particulier, le cas de l’analyse de liquides Cependant, pour une concentration don- utilisés sont en général des lasers à solide dans les aciéries, de celle de coulées de verre, née de l’élément d’intérêt, l’intensité du Nd:YAG ; la longueur d’onde retenue dont il faut contrôler la composition et le signal dépend du matériau analysé ; cette peut varier du fondamental, à 1,06 µm, taux d’impuretés, ou encore de l’analyse de infl uence du matériau sur la réponse ana- aux différents harmoniques, selon le type sels fondus. C’est d’ailleurs pour de telles lytique est connue sous le nom d’effet de de matériau analysé. Une durée d’impul- applications d’analyse à distance que le matrice. La quantifi cation précise passe sion de quelques nanosecondes et des CEA a lancé, dès le début des années 90, donc par une étape préalable d’étalonnage énergies de 10 µJ à 100 mJ (selon la surface ses travaux d’étude et de développement effectuée sur différents étalons de com- d’interaction) permettent d’atteindre de la LIBS. position voisine de celle de l’échantillon, l’irradiance crête requise sur le matériau Pour les procédés industriels, la LIBS dans lesquels l’élément à quantifi er se à analyser. permet d’opérer directement sur les lignes retrouve à des concentrations connues. Les détecteurs sont couramment des de production, à distance suffi sante pour La technique de la LIBS présente ainsi caméras CCD intensifi ées, qui permettent éviter toute diffi culté liée à la température de nombreux avantages : le traitement temporel de l’acquisition en ou aux projections éventuelles. Adaptée à  Analyse multi-élémentaire : la LIBS jouant le rôle d’obturateur rapide. Ils l’analyse des aérosols, la LIBS permet aussi permet de détecter en une seule impul- peuvent être associés à différents spectro- de contrôler la composition des fumées et sion tous les éléments, y compris les plus mètres. Les spectromètres classiques, adaptés résidus de calcination, ou la concentration légers, sur tout type de matériau. à la spectroscopie atomique, c’est-à-dire et la composition d’aérosols présents au  Analyse sans contact, à distance, parti- lumineux et à fort pouvoir de résolution voisinage des postes de travail (fi g. 2). culièrement adaptée aux milieux hos- (λ/Δλ = 10 000), ne permettent d’analyser tiles, par exemple à haute température ou que quelques éléments simultanément, en Analyse de terrain corrosifs, ou aux milieux diffi cilement raison de leur faible plage spectrale (10 nm), De manière générale, l’absence de prépa- accessibles. due à la taille limitée du capteur CCD. ration d’échantillon et la facilité de trans-  Analyse sans préparation d’échantillon, En revanche, les spectromètres à dispersions port et de mise en œuvre de la technique, sous atmosphère ambiante, ce qui rend horizontale et verticale (« spectromètres à font de la LIBS un outil de choix pour les sa mise en œuvre simple et rapide. échelle ») permettent l’exploitation simul- analyses de terrain. On peut citer l’analyse  Analyse en temps réel. tanée de la totalité du spectre (200 à 900 nm), d’ambiances de travail (gaz et aérosols),  Analyse peu destructive : les masses de avec un pouvoir de résolution pouvant aller celle des sols, l’analyse minéralogique et matière ablatée sont très faibles ; elles jusqu’à 10 000 sur des modèles courants. l’analyse archéologique, en particulier varient de quelques nanogrammes à Il existe aussi des spectromètres de très sous-marine (en milieu liquide). quelques centaines de nanogrammes. faible volume, robustes, bien adaptés à La faible intrusivité de la LIBS en fait  Analyse localisée, la limite de résolution l’analyse de terrain, mais de performances aussi une technique d’intérêt pour l’étu- spatiale atteignant quelques micromètres, moindres. de d’objets précieux et fragiles, comme

3. LIBS transportable commercialisée par IVEA sous licence CEA, et logiciel de traitement associé.

86 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 les œuvres d’art. Ainsi, l’analyse du plasma créé à partir de quelques nanogrammes de peinture permet d’en déterminer la composition élémentaire, et donc de la dater ou de révéler la présence de diffé- rentes couches.

Analyse de laboratoire : microsonde LIBS L’analyse des phénomènes de diffusion d’un matériau dans un autre, par exemple lors d’opérations de soudage, ou la déter- mination de l’homogénéité de la composition d’alliages, peuvent requérir des cartographies à l’échelle micrométrique (ﬁ g. 4). La résolution latérale des mesures de la microsonde LIBS peut atteindre le micron, et les éléments (y compris les plus légers comme l’hydrogène) peuvent être détectés à des niveaux de teneur de quelques parties par million pour les plus sensibles.  Quelques exemples d’application des lasers Le degré de maturité de l’analyse par LIBS, son grand potentiel d’applications, tant dans le secteur industriel que dans le domaine des mesures de terrain, ainsi que l’apparition sur le marché de matériel ﬁ able et robuste, en font un outil de choix, actuellement en plein essor, dans le domaine de l’analyse chimique en temps réel. Conclusion

Ces deux applications industrielles du 100 μm laser montrent l’importance de celui-ci Ti dans le progrès technologique. Des objets devenus courants, comme un téléphone portable, sont soumis à plusieurs opéra- tions « laser » en cours de conception, de fabrication, de livraison. Le design est validé par prototypage rapide, les circuits intégrés sont réalisés par lithographie laser, les couches minces composant l’écran Mg Al + Ca sont réparées par ablation laser, les touches sont marquées laser, les codes-barres permettant la logistique sont lus par laser… 4. Image obtenue par microsonde LIBS, développée au CEA, de l’insertion de titane dans un béton d’ouvrage d’art pour le stockage en milieu géologique profond (résolution 3 µm, mesure en atmosphère ambiante). L’importance industrielle du laser ne tient pas au chiffre d’affaires réalisé par l’ensemble des fabricants de sources (quelques milliards de dollars, chiffre très modeste au vu de l’économie mondiale), mais résulte de la diffusion de son utilisation dans les procédés industriels à haute valeur ajoutée. Cinquante ans après son invention, le laser est devenu incontournable dans l’industrie. ❚ (1) Par diffusion du phosphore, dans le cas usuel de substrats de type p. (2) Selon le procédé de fabrication utilisé, les bords des plaquettes contribuent plus ou moins fortement à une Remerciements perte d’effi cacité de la cellule, par recombinaison des électrons et des trous photogénérés. Nous tenons à remercier Bernard Equer pour sa relecture (3) Voir Refl ets de la physique n° 5 (2007), p. 19. (4) CIGS : Cu(In,Ga)(S,Se) . Voir Refl ets de la physique n° 5 (2007), p. 16. attentive de la section sur le photovoltaïque. 2

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 87 88 Faire de la physique autour des fontaines lasers

Sébastien Forget, Christophe Daussy et Paul-Éric Pottie ([email protected]) Laboratoire de Physique des Lasers, UMR 7538 CNRS, Université Paris 13, 99 av. J.-B. Clément, 93430 Villetaneuse

Les fontaines lumineuses Au milieu du XIX e siècle, Jean-Daniel devenant des fontaines lasers (fi g. 1). En Colladon eut l’idée de concentrer les exploitant les propriétés spécifi ques de ont connu ces dernières rayons issus d’une lampe sur l’embou- cette lumière (monochromaticité et faible années en France un nouvel chure du jet d’eau créé par un réservoir divergence du faisceau), les fontaines percé sur un de ses fl ancs. Le résultat, lasers permettent d’expérimenter de façon essor. Grâce à la directivité qu’il décrit lui-même, est spectaculaire : simple et visuelle les bases de l’optique  Quelques exemples d’application des lasers et à l’intensité des faisceaux « la lumière circule dans ce jet transparent, géométrique et la vision des couleurs. comme dans un canal, et en suit toutes Ces notions intéressent un très large lasers, les fontaines lasers les infl exions ! » [1]. Une expérience public : les plus jeunes (classes élémentaires permettent d’expérimenter similaire fut réalisée dès 1840 par Jacques ou collège) pour le mélange des couleurs Babinet [2] : ce dernier expliqua même dans l’eau par synthèse additive, les de façon ludique et specta- comment le principe du guidage de la lycéens et étudiants pour expliquer le laser culaire les bases de l’optique lumière pouvait s’étendre à des cylindres et le guidage de la lumière par réfl exion de verre courbés, anticipant ainsi les totale. Plusieurs fontaines lasers ont été géométrique et la vision futures fi bres optiques… Les fontaines développées en France pour des actions des couleurs. lumineuses, initialement conçues dans un de communication et de vulgarisation but pédagogique, ont rapidement connu un scientifique : au laboratoire PIIM Nous décrivons les principaux succès remarquable (dans des versions plus (Marseille), au laboratoire ENSSAT imposantes) lors de diverses manifestations (Lannion), au LAAS (Toulouse), dans le enjeux pédagogiques en Europe et aux USA, dont l’Exposition Scientibus (Limoges)… Au Laboratoire de de l’expérience, ainsi que universelle de Paris en 1889. physique des lasers (LPL) de l’Université Grâce au laser, dont on célèbre cette Paris 13, trois fontaines ont été développées les différentes fontaines année le jubilé, les fontaines lumineuses depuis 2007, et présentées lors de multiples ont fait l’objet d’un regain d’intérêt en manifestations scientifi ques. développées au Laboratoire >>> de Physique des Lasers (LPL). Cela va de la plus simple et Réservoir la plus économique, destinée air à être reproduite aisément, n = 1 jusqu’à la Fontaine laser géante, réalisée dans le cadre d’un projet « art et science » Source laser pour la célébration des 50 ans du laser en 2010.

eau n = 1,33

1. Principe de la fontaine laser.

Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 89 Récipient en plastique transparent

Pointeur laser

2. Fontaine à 10 euros.

>>> Les objectifs pédagogiques Après une ou deux réfl exions totales, le réfl exion totale. L’expérience est réalisée jet d’eau apparaît uniformément coloré, avec un simple pointeur laser rouge ou Il s’agit tout d’abord d’expliquer le guidage ce qui permet une observation directe de la vert (puissance < 1 mW, classe 2) et un de la lumière par réfl exion totale dans les synthèse additive des couleurs en injectant récipient en plastique transparent avec jets d’eau, ces derniers formant une version dans un même jet des faisceaux lasers rouge, des faces parallèles, l’une d’elles percée macroscopique des fi bres optiques. Ici, le vert et bleu (les trois couleurs primaires). d’un trou. Le récipient est rempli d’eau, milieu guidant est aqueux et non vitreux, En modifi ant l’intensité respective de ces puis le faisceau lumineux est dirigé vers et la « gaine » est faite d’air : les notions lasers, on peut alors faire varier la couleur le trou afi n d’observer la lumière guidée fondamentales (contraste d’indice avec du jet d’eau et obtenir toutes les couleurs dans le jet (fi g. 2). un indice plus fort dans le cœur que dans la (y compris le blanc). Un effet esthétique gaine, réfl exion totale, courbure possible) intéressant peut être obtenu par une Une fontaine à trois lasers sont bien respectées. Dans le cas du gui- variation aléatoire de l’intensité des trois pour mélanger les couleurs dage dans un jet d’eau, la différence entre lasers (via une commande électronique), Nous avons développé une fontaine

l’indice du cœur (neau = 1,33) et celui de la créant un changement continuel de la laser plus élaborée, destinée aux actions de gaine (nair = 1) est bien plus importante couleur du jet. diffusion de la connaissance et de vulga- que pour une fi bre optique classique (où Enfi n, de multiples ouvertures peuvent risation scientifi que du LPL [3]. Ce mon- elle vaut quelques millièmes), et l’injection être proposées autour de cette expérience : tage permet d’observer, en plus de la s’en trouve grandement facilitée. Un point le laser et ses nombreuses applications réfl exion totale, la synthèse additive des délicat de ces dispositifs est de créer un jet (dans l’industrie, la médecine ou la couleurs à partir des trois couleurs pri- d’eau suffi samment peu turbulent (nombre recherche), les télécommunications opti- maires (fi g. 3). de Reynolds inférieur à 3000). Le calcul ques, ou encore les applications quoti- Des lasers de quelques dizaines de milli- de la vitesse de l’écoulement repose sur diennes de la synthèse additive (écrans) et watts (classe 3B) et un bon contraste sont l’application de l’équation de Bernoulli, et soustractive (imprimantes). nécessaires pour obtenir un effet saisissant. le calcul de la trajectoire du jet d’eau reste Trois faisceaux lasers, rouge, vert et bleu simple : quelques notions de base de Aspects techniques (respectivement une diode de 50 mW à mécanique des fl uides peuvent ainsi être 650 nm, deux Nd:YAG doublés en fré- introduites. L’utilisation d’un laser, au lieu et réalisations pratiques quence de 50 mW à 532 nm et de 20 mW d’une simple lampe, permet de profi ter à 473 nm), sont injectés et mélangés dans de son faisceau très directif pour visualiser Une fontaine laser à 10 euros plusieurs jets d’eau à l’aide d’éléments distinctement la première réfl exion totale Une première expérience, peu onéreuse optiques (miroirs, lames séparatrices, cubes dans le jet d’eau, les suivantes étant souvent et accessible à tous (en classe ou à la maison), et/ou prismes). L’intensité des lasers peut être brouillées par la turbulence du jet. permet d’observer très simplement la modifi ée par un simple jeu de densités,

90 Reﬂ ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927  Quelques exemples d’application des lasers

3. Mélange des couleurs dans la fontaine à trois lasers. 4. La Fontaine laser géante en avant-première, au siège du CNRS, le 1er juin 2010.

ou bien en ajustant le rapport cyclique(1) de quatre larges monolithes noirs de métal Remerciements Nous tenons à remercier l’ensemble des membres du LPL d’un signal logique appliqué à chaque et de plexiglas, tantôt miroitants, tantôt qui ont participé avec enthousiasme aux nombreuses laser, à l’aide d’un microcontrôleur. Pour transparents, et d’un bassin intérieur présentations des fontaines lasers et plus particulièrement assurer un fonctionnement en continu, (fi g. 4). Des lasers encore plus puissants A. Kaladjian, F. Wiotte, M. Fosse, B. Darquié et J.-C. Keller, pour leurs contributions décisives à ces expériences. l’eau des jets est récupérée dans un bassin, (200 mW, classe 4) et des bancs optiques La fontaine à trois lasers a été réalisée avec le soutien de puis recyclée jusqu’au réservoir par une plus élaborés sont installés dans le cœur l’Université Paris 13 et du Conseil général de Seine- petite pompe. Une portée des jets de 10 à des monolithes. Saint-Denis. La Fontaine laser géante a été fi nancée par le CNRS, l’Université Paris 13 et le LPL, avec le soutien 30 cm est obtenue avec une hauteur de de la Mairie de Paris, l’Institut d’Optique Graduate School, colonne d’eau de 10 à 20 cm et des trous Conclusion la Société Française de Physique (SFP), Sciences Essonne, ALPhA-Route des Lasers, l’Institut Galilée et le Comité d’environ 6 mm de diamètre. Le débit Les fontaines lasers sont d’excellents national des 50 ans du laser. ajustable de la pompe permet de faire outils pour faire de la physique à tous les varier la portée et la turbulence des jets. niveaux : celles du LPL sont régulièrement (1) Le rapport cyclique est le rapport de la durée de La fontaine est placée dans une grande boîte présentées lors de manifestations de com- l’état haut à la période du signal logique (TTL). noire (1,2 × 0,6 × 0,7 m3), afi n d’assurer munication et de vulgarisation scientifi que une observation de jets d’eau lumineux sur à destination des collèges et lycées (ateliers fond noir et le confi nement des rayonnements, science, Bars des Sciences, visites de sco- Références nécessaire pour garantir la sécurité laser. laires…), et à l’occasion d’événements nationaux qui rassemblent plusieurs mil- 1 • D. Colladon, “On the refl ections of a ray of light Une ouverture vers l’art : inside a parabolic liquid stream”, Comptes Rendus 15 liers de visiteurs (Nuit des Chercheurs, (1842) 800. la Fontaine laser géante Fête de la Science/Savante Banlieue…). À l’occasion de la célébration des 50 ans 2 • J. Hecht, City of Light, The Story of Fiber Optics, du laser, en 2010, le LPL a été porteur d’un La Fontaine laser géante a été présentée Oxford University Press, New York, 1999 (ISBN 0-19-510818-3). projet « art et science » pour la réalisation en avant-première au siège du CNRS, d’une Fontaine laser géante [4-5]. Un puis inaugurée à l’Université de Paris 13 3 • Site web des fontaines au LPL : jeune artiste, Steve Veloso [6], a relevé ce (Villetaneuse) au mois de juin 2010. Elle www-lpl.univ-paris13.fr:8090/fontaine_laser.htm défi et a réalisé une installation jouant sur sera présentée en France tout au long des 4 • Sites web des 50 ans du laser : l’abstraction formelle et sur la visibilité années 2010 et 2011 dans divers lieux www.50ansdulaser.fr du mécanisme interne. L’œuvre recherche (musées, universités, CCSTI…), et parti- www.cnrs.fr/50anslaser/spip.php?article70 un impact « physique » sur le spectateur, cipera à la cérémonie de clôture des 50 ans 5 • Site web de La Fontaine laser géante : pour l’interroger sur son rapport à l’art et du laser à Bordeaux, le 2 décembre 2010. ❚ www.fontainelaser.fr 2 à la science. Cette fontaine, de 16 m au 6 • Site web de Steve Veloso : sol et de 2,6 m de hauteur, est composée steveveloso.com/index.html

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