STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS

1. STAGE LASERS INTENSES Du 4 au 8 février 2008 COURS Architecture d’une source laser Intense Des concepts à la réalisation Sauteret Luli –CEA Cesta christian.sauteret@polytechnique.fr

2. Sommaire • I - Introduction • Pourquoi le laser ? • Quel laser pour quelle application ? • L’interaction Lumière - Matière • II - Rappels Généraux • Grandeurs physiques • Propagation et focalisation • III - L’architecture d’une installation laser • Oscillateurs, Préamplification et mise en forme, amplification, compression, conversion et focalisation • IV - Problématiques • Dommage, Transport, Thermique, Non-linéaire, Chromatisme

3. Pourquoi le lasers de puissance ? • Contrairement aux particules chargés qui se repoussent, les photons peuvent être concentrés de manière extrême, ce qui permet d’engendrer des impulsions optiques qui : • sont les plus courtes réalisés par l’homme avec des champs électromagnétiques • et qui du fait de leur cohérence peuvent être focalisées à des intensités relativistes.

4. Pourquoi la lumière « laser » ? • Comparer aux autres sources de lumière (thermiques, fluorescentes, …), la lumière laser est celle qui peut s’amplifier et se propager avec un « confinement » maximum

5. Champ optique intense et atomes Champ intra atomique (couches externes) : 5 109 V/cm Champ électrique d’une impulsion optique E = 10 µJ, t = 100 fs focalisée sur d = 10µm : produit I = 1013 W/cm2 soit un champ de 108 V/m E = 1 kJ, t = 100 fs focalisée sur d = 10 µm produit 5 1022 W/cm2 soit un champ de 2 1014 V/m

6. Quelle type d’installation laser ? Quelle est la grandeur pertinente : Puissance ou énergie ou …? Que veut dire « ultra-court et ultra-intense » ? Comment les mesurer ? Quelle physique avec ? Comment les produire ? Comment dimensionner une installation ?

7. cible chauffée à des millions de degrés faisceau laser 90 mm rayon de la tache focale 1/ 100 mm à 1/ 10 mm Les lasers de puissance permettent de générer des plasmas chauds et denses - et des champs extrêmes La puissance de millions de centrales électriques est focalisée sur une tête d'épingle

8. Dans la matière chaude les électrons sont détachés du noyau … et la matière devient plasma Dans la matière froide les électrons sont liés au noyau

9. X e- Applications importantes des plasmas laser Fusion Thermonucléaire Contrôlée Production d'énergie Accélération laser de particules Chocs lasers, Equations d ’Etat Sources de particules et de rayonnement

10. Une application des lasers : la fusion thermonucléaire par confinement inertiel Deuterium Réaction de fusion Neutron : 14,1 MeV Helium : 3,5 MeV Tritium Production d ’énergie par fusion avec la réaction D-T

11. d’où l’intérêt des lasers de forte énergie :les installations LMJ, NIFdes lasers ultra-intenses :les projets PETAL, ILE, ELIDes installations « mixtes »: le projet Hiper

12. LMJ PW 6 10 LIL 5 10 PW / LIL Nano 2000 4 10 TW ELI 1000 Pico 2000 Energie [J] Alise LULI 100 TW (Alise) 100 10 LOA CEA/DSM GW 1 0,1 CELIA 0,01 4 0,01 0,1 1 10 100 1000 10 t [ps] Installations Lasers de Puissance dans le monde NIF Rochester Osaka Osaka RAL, PALS, GSI RAL,GSI RAL RAL

13. De nouveaux lasers pour une nouvelle physique • L’étude de l’infiniment petit requiert : • de fortes densités d’énergie r • pendant des temps très court t • sur des volumes très petit V

14. Limites actuelles de l’interaction laser-matière Fusion contrôlée E = 5 MJ, t = 1ns,F = 100 µm

15. Quand a > 1 le régime est dit relativiste parce qu’un électron libre dans ce champ exécute un mouvement transverse vosc où il acquiert une masse : Le régime «relativiste» des hautes intensités Le paramètre adéquat est la vitesse relative d’oscillation de l ’électron soumis au champ E où E est le champ électrique à la fréquence w Pour une longueur d’onde de l = 1 µma = 1 correspond à : un champ de E = 3.1010V/cm, soit une intensité de I = 3.1018 W/cm² La composante due à B, non négligeable, permet l’accélération des électrons

16. d’où l’intérêt des lasers ultra-brefs et ultra-intenses : du térawatt à ….l’exawatt !

17. Quelques grandeurs etordres de grandeurs

18. Focalisation : la grandeur clef, la Brillance L’analyse des propriétés optiques de la lumière montre que la grandeur primordiale caractérisant l’aptitude d’une source lumineuse à déposer son énergie sur une petite surface est sa luminance ou sa brillance dPn est la puissance émise dans la bande spectrale dn, captée dans un élément d’angle solide dW, traversant l’élément de surface dS. q est l’angle entre la normale à l’élément de surface dS et la direction dans laquelle est sélectionnée l’élément d’angle solide dW.

19. Aptitude d’un laser à focaliser l’énergie Un système optique parfait conserve le produit S.W L’élément de surface, le plus petit, pouvant être irradié par une source laser, est de l’ordre du carré de la longueur d’onde, et l’angle solide est alors proche de p. Une des caractéristiques importante d’une source lumineuse est donc le produit S.W. La grandeur que l’on associe à cette valeur est le M2.

20. Brillance du Soleil au niveau du sol Brillance d’un laser de 1W focalisable Brillance spectrale Brillance et brillance spectrale

21.  

22. DUREE secondes PUISSANCE Watts - 9 +9 Nano 10 Giga 10 - 12 +12 Pico 10 Tera 10 - 15 +15 Femto 10 Peta 10 - 18 18 Atto 10 Exa 10 - 21 21 Zepto 10 Zetta 10 - 24 24 Yocto 10 Yotta 10 Quelques ordres de grandeurs E = 1 J pendant t = 1 s  1 W La consommation mondiale d ’énergie est inférieure à 5 TW

23. La durée minimale = une période : 3 fs à 1 µm L'énergie délivrée en un temps très court

24. En 1 ps 0,1 nm En 100fs 0,1 nm How Short Is Ultrashort ? Diamètre d’un atome moyen : 0,1 nm

25. Introduction : L’interaction Lumière - Matière Comment se comporte la lumière ? • Comme des ondes • On entend par « lumière » l’ensemble des ondes électromagnétiques, des rayons gammas et des rayons X, jusqu’aux ondes radio en passant par l’ultraviolet (UV), le visible et l’infrarouge (IR). • Comme des particules ! • Pour traiter de l’interaction avec la matière, le modèle « quantique » est le mieux adapter. Dans ce cas la lumière possède une nature corpusculaire : le photon

26. rayons  rayons X ultraviolet infrarouge micro-ondes ondes radio  10-12 m 10-9 m 10-6 m 10-3 m 1 m visible 400 – 780 nm Ondes

28. Champ électrique et champ magnétique L’onde électromagnétique (la lumière) se caractérise au moyen de deux « vecteurs », le champ électrique E et le champ magnétique B. Deux perturbations (vecteurs) se propagent simultanément, perpendiculaires entre-elles et à la direction de propagation (elles sont dites transversales). Elles sont émises par des charges en mouvement. Au niveau microscopique les atomes se comportent comme de micro antennes et émettent de la lumière.

29. = + Interférences constructives = + Interférences destructives Ondes : addition et soustraction Les champs électriques qui sont des grandeurs « vectorielles » s’additionnent comme des vecteurs Ondes polarisées dans le même plan

30. Ondes et polarisation de la lumière

31. La lumière : aspect particulaire La lumière se comporte comme une particule !

32. Comment détecter un photons ? « clic » Haut parleur Photomultiplicateur Photon

33. énergie quantité de mouvement Lumière : ondes et/ou particules l c/n

34. Matière: atomes/particules à niveaux d’énergie quantifiés Spectre d’émission de différents atomes

35. E3 h32 h31 E2 h21 E1 h30 h10 h21 E0 Phénomène d’émission spontanée Atome X

36. E1 hν10 hν10 hν10 hν10 E0 EMISSION STIMULEE ABSORPTION h10 + E1  2h10 + E0 h10 + E0  E1 Absorption et émission stimulée

37. Énergie E3 E3 h32 h31 E3 E2 E2 h21 E2 E1 E1 h30 h10 h21 E1 E0 E0 E0 Emission stimulée, émission spontanée et absorption : importance relative Population à l’équilibre thermodynamique

38. Absorption Emission spontanée phase aléatoire Emission stimulée même phase même fréquence L.A.S.E.R. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplification : effet LASERInteraction lumière - matière

39. Fonctionnement d’une source laser Voir cours P.Georges du mercredi 6 février

40.  - Sinusoïde et train d’onde

41. Largeur de raie E1 hν10 hν10 A E0 I0  I0/2  r v E E . τ≥ħ

42. Faisons la somme de toutes les sinusoïdes constituants la raie spectrale ci-dessus. Remarquons que comme dans la raie elles ont des amplitudes et des longueurs d’ondes différentes.  = largeur à mi-hauteur A I0 I0   Raie spectrale et train d’onde

43. Faisons la somme de toutes les sinusoïdes constituants la raie spectrale ci-dessus. Remarquons que comme dans la raie elles ont des amplitudes et des longueurs d’ondes différentes. Superposition des sinusoïdes. Somme = train d’onde résultant Transformée de Fourier : Analyse graphique de la raie spectrale

44. I - Introduction • II - Rappels Généraux • Grandeurs physiques • Propagation et focalisation • III - L’architecture d’une installation laser • IV - Problèmatiques

45. Théorie de Maxwell Approximation scalaire Optique géométrique Champ cohérent Cohérence partielle Optique de Gauss Approximation paraxiale Ondes électromagnétiques et propagation

46. Les équations de Maxwell et la loi d’interaction • Les équations de Maxwell • Le champ électromagnétique est décrit à partir du couple de vecteurs : • Le milieu matériel est décrit par la distribution de charges et la densité de courant • La loi d’interaction avec une particule de charge q et de vitesse v: • La force de Lorentz

47. La loi d’interaction dans un milieu « optique » ? ? Pour milieu comportant un grand nombre de un particules, on introduit une nouvelle grandeur, la polarisation du milieu P, qui permet de modéliser le comportement de milieu soumis à un champ électrique E

48. Les équations constitutives • Pour les diélectriques on suppose que : • le milieu est dépourvu de charges libres • le milieu est non magnétique • La polarisation qui caractérise la réponse du milieu se développe en puissance du champ électrique

49. électrons rayonnement incident noyau atome mouvement des électrons t champ électrique Optique linéaire En optique linéaire, le nuage électronique suit linéairement les oscillations du champ et les dipôles rayonnent à la même fréquence w

50. Électrons Noyau Faible intensité : Comportement linéaire Rayonnement Rayonnement incident diffusé Atome Électrons Noyau Forte intensité : Comportement non-linéaire Rayonnement Rayonnement incident diffusé Atome Optique linéaire et optique non linéaire Voir les cours de L. Canioni, S; Montant et B. Le Garrec (mardi 5 février) En optique non linéaire, l’excursion des électrons autour de leurs positions de « repos » peut être perturbée par les atomes voisins. Le mouvement des électrons n’est plus sinusoïdal et peut se décomposer en série de Fourier. Le rayonnement des dipôles donne lieu à une génération d’harmoniques.