Le MODAL "Physique des Laser & Applications" permet de se familiariser avec des nombreux aspects de la physique des laser, regroupés sur différentes thématiques impliquant les Lasers : "Laser et application des Laser", "Optique non linéaire", "Laser femtoseconde", "Gyromètre à fibre optique" et "holographie". Ces thématiques se retrouvent dans les sujets centraux de recherche de nombreux laboratoire de l'Ecole polytechnique (LULI, LOA, LOB, ...) mais aussi ne nombreuses applications de la vie quotidienne (Lecteur de DVD ou de Blu-ray, communication par fibre optique,...).

Option "Laser et Applications"

      Le but de cet enseignement est de faire découvrir la physique fondamentale des lasers. En partant des principes constitutifs des milieux amplificateurs et des cavités laser, divers ateliers sont successivement présentés aux élèves : laser He-Ne, Diode laser, laser à colorant et mesure de front d'onde par méthode interférométrique.

Le principe du laser est analysé à l'aide d'une cavité laser He-Ne ouverte, qui permet une grande liberté d'étude. Tous les éléments peuvent être agencés librement. Le gain du milieu amplificateur est mesuré, la cavité aligné. De nombreuses études sont possibles, comme l'influence de la position des miroirs dans la cavité laser et encore l'étude des modes transverses et longitudinaux.

La diode laser est un remarquable exemple d'intégration opto-électronique. Elle est présente dans tous les lecteurs de DVD ou de Blu-ray. Bien que le principe laser soit le même, la diode laser possède des qualités uniques : principe de fonctionnement, comportement suivant l'intensité et la température, étude spectroscopique de la compétition entre mode.

Le laser à colorant est un laser spectaculaire par son caractère accordable, passant ainsi du vert à l'orange en passant par le jaune. Autour d'un laser de pompe nanoseconde, une séance lui est entièrement consacré et elle permet de comprendre tous les principes permettant la sélection d'une couleur et donc l'accordabilité.

Enfin, on caractérisera entièrement les propriétés géométriques du laser, à l'aide d'une expérience interférométrique de mesure du front d'onde. Cette expérience délicate, basée sur un interféromètre de Mach-Zender, permet de mesurer le profil spatial en intensité et en phase du faisceau laser.



Option "Optique non linéaire"

      Le module d'Optique non linéaire permet de se familiariser avec les propriétés non linéaires de la lumière. Contrairement à l'optique géométrique habituelle où le comportement des matériaux est linéaire, l'optique non linéaire permet d'obtenir des effets étonnants, comme par exemple la génération de lumière verte à partir d'une source infrarouge, ou bien encore la modulation de l'intensité lumineuse ou de la phase par un champ électrique. L'optique non linéaire est utilisée massivement dans les trois principaux laboratoires d'optique de l'école : au LULI, LOA et LOB. Ses applications vont de la génération de rayonnement ultra bref et ultra intense dans l'ensemble de la gamme électromagnétique, à la réalisation de microscopes de dernière génération.

Le module est composé de la manière suivante : après une première séance orientée sur les concepts de base : biréfringence, symétrie cristalline, optique non linéaire, 4 séances sont consacrées à la génération de second harmonique, et 4 autres ensuite aux effets Pockels et Kerr.

            De la lumière verte (532nm) est obtenue par focalisation d'un faisceau infrarouge de longueur d'onde double dans un cristal non linéaire de KDP. On observe dans quelles conditions le doublage de fréquence est observé : angle d'accord de phase, angle azimutale, intensité de la pompe, accord de phase non colinéaire, accord de phase de type I et II. Le cristal de KDP est placé dans un bain d'indice et peut donc être orienté dans toutes les directions.

            La modulation de la lumière d'un laser est réalisée à partir d'une cellule de Pockels. Un champ électrique statique est appliqué sur un cristal de KD*P, avec pour conséquence une modification de la biréfringence du cristal. Cette cellule permet ainsi que réaliser une modulation de la phase et de l'intensité d'un laser la traversant. La physique des cellules de Pockels longitudinales et transverses sera étudiée, ainsi également qu'une cellule Kerr. Ces principes seront appliqués à la réalisation d'une expérience permettant de transmettre un signal audio et vidéo à distance.


Option "Holographie"

      Après un apprentissage des techniques d’holographie et d’interférométrie holographique, les élèves sont incités à proposer un sujet d’étude pertinent, le plus souvent en fonction de leurs centres d’intérêt. Il s’agit d’un véritable apprentissage de la méthodologie du chercheur : se poser un problème, déterminer si la technique expérimentale est adaptée à la mesure, faire des recherche bibliographiques, mettre au point un montage expérimental adapté et enfin exploiter les résultats (et éventuellement analyser les échecs). C’est ainsi que les élèves ont pu étudier, au fil des années, des sujets aussi variés que les déformations d’un cristal piézoélectrique, les vibrations d’un verre qui chante, ou encore la qualité des anches de clarinette. 

Montage dit « de Gabor » pour un hologramme observable en transmission

 

Franges d’interférence créées lors de la vibration d’une anche de clarinette à différentes fréquences d’excitation.

 

      Ce thème offre aussi la possibilité de réaliser un montage d’holographie numérique. Par ce terme, on désigne une technique qui consiste en l’enregistrement de l’hologramme sur une caméra numérique (plutôt que sur une plaque holographique). La restitution des informations de phase et d’amplitude de l’objet est ensuite obtenue par simulation numérique de la diffraction d’une onde de référence (elle aussi « numérique ») sur l’hologramme enregistré par la caméra CCD. Cette méthode offre la possibilité d’appliquer des traitements numériques pour améliorer la qualité de l’image de l’objet reconstruit, compenser les aberrations du système ou encore changer la position du plan de reconstruction. Elle offre aussi l’avantage de permettre la reconstruction de l’interférogramme holographique en temps réel, et l’exploitation des résultats est donc immédiate. C’est d’ailleurs pourquoi la technique d’interférométrie holographique connaît un regain d’intérêt, par exemple pour le contrôle non destructif d’objets en milieu industriel. Les élèves sont ainsi confrontés à des dispositifs expérimentaux différents, chacun avec ses propres limitations, qu’il est essentiel de comprendre et maîtriser pour mener à bien l’étude.

          Restitution de deux hologrammes numériques.

Option "Gyromètre à fibre optique"

      La fibre optique permet des transferts record d'information en guidant des faisceaux lasers. Mais de nombreuses autres applications des fibres optiques sont utilisées tant dans les laboratoires de recherche que dans le monde industriel (capteurs, contrôle,...) . Ce MODAL présente les notions nécessaires sur les fibres optiques et le Laser. Le point d'orgue sera la réalisation d'un gyromètre à fibre optique qui permet la mesure d'une vitesse angulaire, basé sur l'effet Sagnac.

      Plus précisément, nous verrons

            1. Introduction à la physique des guides d’ondes et des lasers : Couplage de mode, biréfringence des fibres, caractérisation laser He-Ne, …

            2. Modélisation des couplages dans les fibres optiques, ...

            3. Mise en place expérimental : Détection synchrone, interféromètre à fibre, mise en place du gyromètre, …

Injection d'un laser dans une fibre optique.