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Quelques applications des lasers femtoseconde

Dossier - Les lasers de puissance à impulsions ultracourtes
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On trouve aujourd’hui des lasers un peu partout autour de nous : dans les films de science-fiction bien sûr, mais aussi dans l’industrie pour découper ou percer des matériaux, dans les lecteur de CD, dans les télémètres lasers ou les bistouris des chirurgiens. Il existe autant de types de lasers que d’applications : continus ou impulsionnels, de toutes les couleurs, avec des longueurs d’ondes allant de l’ultraviolet à l’infrarouge, produits dans des gaz, des liquides, des cristaux, des semiconducteurs…

  
DossiersLes lasers de puissance à impulsions ultracourtes
 

Les lasers ultrabrefs ont la particularité de concentrer l'énergie de leurs impulsions dans un temps très bref... et donc de fournir une très grande puissance pour une énergie raisonnable.

1 - Un laser pour découper

Une impulsion de 100 fs n'a pas le temps de chauffer a matière qu'elle illumine. Cet avantage est très intéressant pour réaliser un usinage laser de précision.

Le laser est couramment utilisé depuis plus de 20 ans pour l'usinage, en particulier pour découper ou percer des matériaux. Mais les lasers classiques chauffent la pièce à découper, ce qui limite la précision de la découpe. En particulier, les bords du trait de coupe sont souvent marqués d'un bourrelet dû à la fusion du matériau (photo ci-dessous, à gauche). De plus, en chauffant le matériau, puis en le refroidissant très rapidement en un point précis, on peut faire apparaître des contraintes locales qui peuvent le fragiliser.

Au contraire, un laser femtoseconde vaporise directement le matériau. La découpe est donc beaucoup plus « propre », donc plus précise : on obtient par exemple des bords de découpe plus nets, ou des trous plus profonds sans qu'ils ne s'élargissent lors du percement, comme le montrent les images ci-dessous. Cette découpe « propre », sans formation de bulles ni de débris, a un grand intérêt, et en particulier en chirurgie de l'oeil ou du cerveau, où le laser femtoseconde est de plus en plus utilisé.

Figure 3.1. Résultat d’un perçage avec un laser nanoseconde (à gauche) et avec un laser femtoseconde (à droite) : la découpe au laser femtoseconde est plus « propre ».

2 - Mesurer des polluants

L'intensité des impulsions laser femtoseconde de grande puissance permet d'élargir le spectre initial du laser. L'impulsion laser modifie l'indice de réfraction sur son passage, et en retour, sa fréquence est modifiée : on appelle ce phénomène l'automodulation de phase. On génère ainsi un continuum de lumière blanche, c'est-à-dire un spectre lisse et très large, comme l'est celui d'une lampe. (Figure 3.2) Mais le continuum est directionnel, comme l'est le rayon laser qui l'a généré. On peut donc s'en servir pour « illuminer » une direction particulière. Il est donc bien adapté pour des mesures à distance. On peut par exemple s'en servir pour des mesures de spectroscopie, dans lesquelles on caractérise une espèce chimique (par exemple, un polluant de l'air atmosphérique) en observant les longueurs d'ondes qu'il absorbe dans le spectre du continuum. Grâce au large spectre du continuum, on peut même détecter plusieurs espèces à la fois.

Figure 3.2. Spectre du continuum de lumière blanche. Les régions d’absorption des principaux polluants sont indiqués au-dessus de la courbe

3 - "Photographier" les réactions chimiques

La durée des impulsions ultrabrèves, inférieure à la picoseconde, correspond à l'échelle de temps des processus mis en jeu dans les réactions chimiques. Ces temps sont tellement courts qu'on ne peut pas les observer directement : aucune caméra, aucun détecteur, n'est assez rapide pour cela. Par contre, les lasers femtoseconde permettent de les observer indirectement. Pour cela, on partage l'impulsion femtoseconde en deux (par exemple grâce à un miroir semi-réfléchissant), et l'on retarde l'une des impulsions (l'impulsion de sonde) par rapport à l'autre (l'impulsion de pompe). Concrètement, on peut obtenir ce délai en faisant parcourir à l'impulsion de sonde un chemin plus long que l'impulsion de pompe.

4 - Schéma pompe-sonde

L'impulsion de pompe va donc arriver la première sur l'objet à étudier, et y initier par exemple la rupture d'une liaison chimique, c'est à dire la séparation de deux parties d'une molécule. L'impulsion de sonde, arrivant peu après, sert à « observer » l'état de l'objet. Par exemple, son absorption dépendra de la séparation des fragments de la molécule.