5.1. Application au domaine de la physique

5.1.1. Réalisation d'une onde sinusoïdale quasi-parfaite

E = Eo * sin (omega * t - k * z) * u

Avec :

• · Eo, l'amplitude du champ électrique, tel que l'intensité associée soit I = Eo² ;
• · omega, la pulsation d'oscillation ;
• · t, le temps ;
• · k, le module du vecteur d'onde selon l'axe de propagation ;
• · z, la direction de propagation ;
• · u, le vecteur de polarisation linéaire.

5.1.2. Spectroscopie LASER

En spectroscopie atomique ou moléculaire, il faut partir du principe que les atomes et molécules sont identifiables grâce aux fréquences de lumière les traversant absorbées. A ces fréquences sont associées des raies qu'il est nécessaire de pouvoir traverser. Le LASER est utilisé pour balayer certaines plages de fréquence avec une très haute résolution et irradier certains atomes ou molécules.

La résolution est définie comme l'inverse du pouvoir de résolution. Dans le cas d'un LASER à He-Ne, les raies émises sont larges de deltaNu = 0.1 Hz à la fréquence Nu = 5 * 1014 GHz, soit une résolution Res = 10-15 et un pouvoir de résolution très élevé PR = 1015.

5.1.3. Autres domaines d'utilisation des LASERs en physique

• · Astrophysique : les ondes gravitationnelles ont été mises en évidence à l'aide d'un interféromètre de Michelson à deux bras de longueur L = 3 km dans le cadre du projet Virgo. La précision de cet interféromètre est de deltaL / L = 10-21 c'est à dire que l'interféromètre est sensible, grâce à l'utilisation d'un LASER, à une variation de la longueur du bras de deltaL = 10-21 * L = 3 * 10-18 mètre. Lors de l'explosion d'une supernova, des gravitons sont émis et le passage d'une telle particule dans l'interféromètre peut faire varier la longueur du bras de l'ordre de grandeur de la précision de l'interféromètre.
• · Physique nucléaire : les LASERs peuvent être utilisés pour la séparation isotopique et la mise en évidence de la structure hyper-fine de la matière. Ils sont également utilisés dans le cadre de la fusion nucléaire contrôlée.
• · Définition du mètre : à l'aide de la raie d'un LASER He-Ne à la longueur d'onde 0.6328 µm ;
• · Holographie de Gabor (dans les années 70) ;
• · Physique non-linéaire de Blombergen : La polarisation P de la matière est la réponse linéaire et non-linéaire à la cause lui ayant donné naissance (un champ électrique E). L'effet Kerr caractérise la réponse non-linéaire de pulsation égale à deux fois la pulsation omega du champ électrique E. Un matériau non-linéaire à effet Kerr est tel que si il est bombardé d'un faisceau LASER de pulsation omega, deux faisceaux sortiront de ce premier avec les pulsations omega et 2omega.

P = Epsilono * Khi1 * E + Epsilono * Khi2 * E² + …

Equation 31 Réponse de la polarisation de la matière à une excitation électrique

Avec,

• · Epsilono, la constante diélectrique du vide ;
• · Khi1, la composante linéaire de la susceptibilité électrique ;
• · Khi2, la composante non-linéaire de la susceptibilité électrique (Effet Kerr) ;
• · …, les non-linéarités d'ordre supérieur.
• · Refroidissement des atomes de Claude Cohen-Tannoudji (Prix Nobel de Physique 1997) en 1995 : un gaz de sodium à deux niveaux d'énergie (doublet jaune) est bombardé par les photons issus d'un LASER dont la pulsation omega est accordée de sorte que les atomes du gaz soient refroidis à la température de 10-7 K. A cette température, proche du zéro absolu (0 K), la vitesse des atomes de sodium est d'environ un millimètre par seconde. L'objectif de cette expérience est d'obtenir des condensats de Bose-Einstein à la température de 0 K. Dans ce cas, tous les atomes se trouvent dans le même état et possèdent donc la même fonction d'onde d'après la théorie quantique.

5.2. Application au domaine de la chimie

• · Photochimie : l'application d'un faisceau LASER sur une solution chimique accroît la température du milieu et donc la cinétique chimique ;
• · Commande de réactions chimiques : dans le cas d'une molécule tri-atomique bombardée par un faisceau LASER, la première impulsion prépare la molécule dans l'état rovibrationnel souhaité et la seconde permet de couper la liaison entre deux atomes ainsi sélectionnée.

5.3. Application au domaine de la médecine

• · Ophtalmologie : le LASER est utilisé pour recoudre une rétine endommagée (" tirs " au LASER), rectifier le front d'onde de la cornée (le problème d'astigmatisme est résolu grâce au LASER à excimère) ou réaliser l'opération post-cataracte (après remplacement du cristallin de l'œil par un cristallin artificiel, un voile opaque se forme, qui est éliminé par chirurgie au LASER YAG) ;
• · Bistouri : un LASER à CO2 de 10 à 20 Watts permet de réaliser d'ouvrir les tissus de finement et sans hémorragie ;
• · Observation des régions turbides (organes et os) : technique remplaçant la radiologie ;
• · Photothérapie du cancer.

5.4. Application au domaine de l'industrie

• · Soudure et découpage : à l'aide des LASERs à CO2 ;
• · Navigation par gyro-LASER : à l'aide de l'interféromètre de Sagnac ;
• · Alignement de haute précision ;
• · Mesure de distances par réflexion : des miroirs ont été placés sur la Lune lors des missions Appolo à la fin des années 60 et au début des années 70 et permettent aujourd'hui de déterminer la distance Terre-Lune. De la même façon, il est possible de calculer la dérive des continents ;
• · Lecture : les LASERs sont utilisés pour lire les piste des disques-compacts mais également les codes-barre.
• · Ordinateur optique.

5.5. Application au domaine des télécommunications

5.5.1. Liaisons optiques à longue distance

A la question " vaut-il mieux utiliser des électrons (câble électrique classique) ou bien des photons (fibre optique) pour propager l'information ? ", la courbe présentant l'énergie consommée pour la propagation en fonction de la distance de propagation montre clairement que pour des distances supérieures à 200 µm, le transport optique est à privilégier.

Figure 52 Propagation optique ou électrique de l'information ?

En effet, l'électron ne coûte rien en terme de production contrairement au photon alors que le photon ne coûte rien à l propagation contrairement à l'électron du point de vue énergétique. Pour de grandes distances de propagation, les photons sont utilisés et circulent dans des fibres optiques en Silice à la longueur d'onde 1.55 µm.

Toutefois, au cours de leur propagation, les photons sont absorbés par la Silice, dont le coefficient linéique d'atténuation est ASilice = 0.2 déciBel par kilomètre (dB/km). C'est à dire que si un signal de puissance Pe est injecté dans la fibre, il sera réduit à la puissance Ps = 1 % de Pe en sortie de la fibre optique, au bout de 100 km de propagation.

Le coefficient linéique d'atténuation de la fibre optique est calculé de la manière suivante :

A (dB/km) = 10 * log(Pe / Ps)

Equation 32 Coefficient linéique d'atténuation d'une fibre optique

Le lecteur pourra vérifier que pour la Silice, A = 10 * log(1 / 1%) = 10 * log(100) = 20 dB/100 km = 0.2 dB/km. C'est pour cette raison que des répéteurs de signal sont utilisés tous les 100 km de fibre optique.

Les LASERs sont utilisés pour propager une onde lumineuse sur de longues distances, à l'aide des fibres optiques (Figure 53).

Figure 53 Application du LASER aux télécommunications optiques

5.5.2. Répéteur ou régénérateur de signal

Dans le cas d'une liaison transatlantique Paris-New York, 60 à 70 répéteurs sont nécessaires. Il existe deux solutions d'ingénierie d'un répéteur :

• · solution électro-optique : le faible signal optique reçu est converti en signal électrique par un photo-détecteur, est électriquement amplifié et module un faisceau LASER en sortie (conversion électrique-optique).
• · solution purement optique : le faible signal reçu est mélangé avec le signal issu d'un LASER optique et est amplifié par un amplificateur optique à base d'ions Er3+.

Figure 54 Répéteur électro-optique

Figure 55 Répéteur purement optique

5.5.3. Débit de la transmission longue distance

La fréquence porteuse du LASER (en réalité, la fibre optique peut en transporter plusieurs simultanément grâce à la technique de multiplexage en longueurs d'onde WDM) est modulée en fréquence à 1 %, soit 5 * 1014 Hz, ce qui correspond à une excursion en fréquence deltaNu = 5 * 1012 Hz. La fibre optique peut propager l'information avec un débit binaire de 1012 bits / seconde = 5 Terabit /seconde, ce qui correspond à 1012 Hz de bande passante, si un bit est associé à 5 Hz (cela dépend du modulateur utilisé).

Pour transporter une conversation téléphonique, 64000 bits /seconde ou 3 kHz (400 à 3400 Hz plus précisément) de bande passante sont nécessaires, donc une fibre optique peut transporter plusieurs millions de conversations téléphoniques simultanées.

Dans le cas d'un programme TV, environ 5 MHz de bande passante sont nécessaires et la fibre optique pourra propager simultanément une centaine de milliers de programmes TV.

Pour cette grande capacité à véhiculer des débits élevés, les fibres optiques et les LASERs y injectant leurs informations sont aujourd'hui massivement utilisés.

Notons que l'opérateur du réseau longue distance (composé des LASERs et fibres optiques) doit maîtriser des millions de canaux d'émission. Si une seule longueur d'onde WDM venait à se mélanger avec sa voisine, une grande partie des communications en cours seraient perdues, d'où l'intérêt d'asservir les LASERs en fréquence afin que cette dernière ne varie pas au cours de la propagation.