UE Optique I: physique des lasers

Objectifs

Les lasers sont des dispositifs incontournables dans beaucoup de domaines de la haute technologie. Les applications sont de plus en plus nombreuses, allant des télécommunications à la fusion thermonucléaire, ce qui nécessite une activité importante en matière de recherche et développement pour les décennies à venir.

Ce cours/TD a pour objectif de préparer les étudiants de Master à ces nouveaux enjeux technologiques, en leur donnant les connaissances nécessaires sur le principe et le fonctionnement des lasers.

I Introduction

            I.1 Principes de base

            I.2 Champ disciplinaire du cours

            I.2 Rappels sur la lumière (ondes électromagnétiques, photons)

II Le milieu amplificateur

            II.1 Rappel sur la statistique de Boltzmann

            II.2 Interaction entre un système atomique à 2 niveaux et le rayonnement électromagnétique émis par un corps noir

                        II.2.1 Absorption

                        II.2.2 Emission spontanée

                        II.2.3 Emission stimulée

                        II.2.4 Relations d’Einstein

            II.3 Propagation d’une onde électromagnétique dans un système à 2 niveaux présentant une   largeur de raie

            II.4 Origines de la largeur de raie

                        II.4.1 Elargissement homogène

                        II.4.2 Elargissement inhomogène

            II.5 Systèmes permettant l’inversion de population et modes de pompage associés

                        II.5.1 Systèmes à 3 niveaux

                                   II.5.1.1 Transition laser entre le niveau supérieur et le niveau intermédiaire                             avec pompage optique

                                   II.5.1.2 Transition laser entre le niveau supérieur et le niveau intermédiaire                             avec pompage électrique

• Excitation directe : lasers à argon et à vapeur de cuivre
• Excitation indirect : lasers helium-neon et CO₂

                                   II.5.1.3 transition laser entre le niveau intermédiaire et le niveau                                             fondamental avec pompage optique

• Laser à Rubis

                        II.5.2 Systèmes à 4 niveaux ou équivalent 4 niveaux avec pompage optique

• Solides diélectriques : YAG :Nd, YVO₄:Nd, Sapphire :Ti
• Colorants liquides

                        II.5.3 Systèmes exiplexes gazeux avec pompage électrique

                        II.5.4 Emission laser dans les semi-conducteurs

                                   II.5.4.1 Principe

                                   II.5.4.2 Laser à homo-jonction

                                   II.5.4.3 Laser à hétéro-jonction

III Le résonateur

            III.1 Seuil d’oscillation

            III.2 Régimes temporels (1^ère partie)

                        III.2.1 Les équations du laser

                        III.2.2 Durée de vie des photons dans la cavité

                        III.2.3 Régime continu

                        III.2.4 Régime déclenché (impulsions micro- et nano-secondes)

            III.3 Modes propres d’une cavité

                        III.3.1 Faisceaux gaussiens

                        III.3.2 Critère de stabilité

                        III.3.3 Critère de résonance – Modes propres

                        III.3.4 Filtrage des modes propres

                        III.3.5 Finesse de cavité

            III.5 Régimes temporelles (2^ème partie) - Laser multi-modes synchronisés

                        III.5.1 Lasers impulsionnels picosecondes

                        III.5.2 Lasers impulsionnels femto-secondes

            III.6 Création et modulation des pertes d’une cavité

                        III.6.1 Déclenchement actif

                                   III.6.1.1 Modulateur électro-optique

                                   III.6.1.2 Modulateur acousto-optique

• Onde acoustique progressive
• Onde acoustique stationnaire

                        III.6.2 Déclenchement passif par absorbant saturable

IV Cohérences

            IV.1 Cohérence spatiale

            IV.2 Cohérence temporelle

V Les applications du laser