Conférences et scientibus > Quoi ?

CONFERENCE « LE LASER A 50 ANS ! »

Un paradoxe : si le laser évoque, pour beaucoup, les sabres de Star Wars, cet emblème de la science-fiction est en fait une technologie bien ancrée dans le quotidien d’aujourd’hui. Imaginez-vous visionner encore vos films sur VHS ? Ou les caissières taper manuellement le prix des articles au supermarché ? Inventé il y a 50 ans, le laser est certainement l’une des technologies qui a le plus changé nos vies.
Parler de laser, c’est d’abord parler de lumière… mais une lumière pas comme les autres ! Cet exposé montrera quelles sont les spécificités du laser et pourquoi sa découverte, en 1960, fut le début d’une vraie révolution technologique. Aujourd’hui, le laser est partout ! Fibre optique, Internet, usinage industriel, chirurgie ophtalmologique, CD-Rom, mais aussi déclenchement de la foudre, mesures de pollutions, mesures de distance Terre-Lune, télémétrie,… au final, que ne fera-t-on pas avec le laser ?
Et en Aquitaine, sommes-nous acteurs des lasers de demain ? Cet exposé sera l’occasion d’un coup de projecteur sur les entreprises et les laboratoires qui font de cette technologie-clé un secteur économique en plein développement. Bienvenue sur la Route des Lasers !

CONFERENCE « LES GRANDS INSTRUMENTS LASER DU CEA »

Le CEA conçoit et utilise des lasers depuis bientôt 50 ans. Aujourd'hui, leurs performances extrêmes, aux limites de la physique, ont permis aux chercheurs et aux industriels de relever de nombreux défis scientifiques et technologiques. Ainsi, le laser Mégajoule, construit près de Bordeaux, réalisera ses premières expériences en 2014 et sera l'un des plus puissants lasers du monde.

DEMONSTRATIONS DU SCIENTIBUS :

Un faisceau laser « blanc » envoyé sur un prisme, grâce à une fibre optique et une lentille, est décomposé en différentes couleurs. Cette expérience montre que la lumière blanche est la somme d’une infinité de rayonnements monochromatiques (« d’une seule couleur »), qui forment ce qu’on appelle le spectre (« l’arc en ciel »). Si on le projette maintenant sur un écran placé derrière des cuves remplies de produits réactifs, on observe une fluores cence dans certaines zones du spectre. En effet, l’apparence colorée dépend de deux processus. D’abord, quand de la lumière arrive sur un produit, celui-ci peut l’absorber ou la renvoyer (c’est ce qui donne leurs couleurs aux objets). Ensuite, quand de la lumière laser est absorbée, le produit peut parfois émettre une lumière caractéristique de sa composition. C’est le phénomène de fluorescence. L’aspect coloré du produit peut être alors complètement différent. Ces propriétés sont utilisées dans l’analyse de matériaux, de liquides, de gaz : on peut mettre en évidence certains composants dans un mélange, on peut identifier un corps par les couleurs qu’il absorbe ou sa fluorescence…

Faites exploser un ballon de baudruche avec un laser ! Un faisceau laser est un fin pinceau de lumière très intense. Prenons un ballon de baudruche sombre gonflé à l’intérieur d’un ballon transparent. Lorsque l'on place les deux ballons sur son trajet, le ballon transparent laisse passer le faisceau, par contre l'enveloppe du ballon sombre absorbe cette lumière. Elle s'échauffe fortement et le ballon explose au bout de quelques secondes, à l’intérieur du ballon transparent. C’est un effet spectaculaire d’action a distance, sans aucun contact. Dans l'industrie, le laser est de plus en plus utilisé pour découper des matériaux comme les métaux ou les céramiques (réputées pour leur dureté) sans entrainer l’usure d’un outil.

Dans cette démonstration, on utilise un laser CO2 couramment employé dans l’industrie. Son faisceau est invisible. Pourtant, quand on le focalise (on le concentre) à la surface d’un morceau de papier, il s’enflamme. Sur du plastique, il fond… Le laser CO2 est un laser très énergétique. En le focalisant, on concentre toute l’énergie contenue dans le faisceau en un point (appelé point focal) et l’objet se met à chauffer. Le laser CO2 est couramment utilisé dans l’industrie pour réaliser des découpes comme des soudures. >>> VIDEOS

Un long tube de verre courbé est rempli d'eau et de fluorescéine. Un stylo laser envoie à une extrémité un rayon lumineux. Celui-ci rebondit sur les parois, faisant se propager la lumière en zig-zag à l'intérieur du tube. Pourtant, les parois du tube ne sont pas réfléchissantes habituellement !... Si on incline le rayon lumineux par rapport à l’axe du tube, on observe qu’à un certain moment, le rayon lumineux n’est plus guidé et sort par le côté du tube. C’est l’illustration d’une loi fondamentale de l’optique (réfraction / réflexion selon l’angle du faisceau). Dans notre expérience, nous arrivons avec un angle tel que le faisceau est réfléchi, de proche en proche, sur la paroi de verre. C’est le principe de la réflexion totale utilisé dans les fibres optiques pour acheminer les communications téléphoniques transocéaniques ou les données d’Internet. Le principe est le même, dans le bus, pour la fontaine lumineuse : un rayon laser est envoyé à la source d’un jet d’eau et y reste prisonnier jusqu’au bassin où il se déverse, illuminant tout le filet d’eau.

Dans cette expérience on met en évidence les phénomènes d’émission de lumière d’un milieu soumis a une excitation. On observe d’abord un gaz traversé par un courant électrique : il émet une lumière rouge dans toutes les directions. C’est la fluorescence. Cette couleur est caractéristique du gaz, ici le Néon. Le spectre, observé au spectroscope, est composé de raies discrètes principalement dans le rouge. Si on place maintenant, de façon très précise, des miroirs de chaque côté du tube contenant le gaz, et à partir d’un certain courant électrique, un rayonnement très directif apparait : c’est un rayon laser. Le spectre de fluorescence change. Une raie devient prépondérante (longueur d’onde autour de 0,00063 mm). Ce rayon laser (de type Hélium-Néon) est le premier laser à gaz a avoir été inventé, en 1960. On reproduit maintenant la même expérience avec une diode : un solide (et non plus un gaz) réalisé à partir de matériau semi-conducteur et contenant déjà des miroirs. L’émission est dite ici « d’électroluminescence ». Tout se passe comme précédemment. Sous un faible courant électrique, la diode émet une lumière « normale », dans toutes les directions. C’est le principe des LED utilisées maintenant pour l’éclairage. Si l’on augmente le courant, les miroirs permettent à la diode de générer un rayon laser. Ces diodes laser sont celles utilisées par exemple dans nos lecteurs de CD ou les lecteurs de code-barres.

Un faisceau laser invisible est envoyé sur un cristal dont il ressort… vert ! Explication : une source laser suffisamment intense d’une longueur d’onde spécifique (la longueur d’onde est la caractéristique de la couleur de la lumière) va générer au sein de certains matériaux des phénomènes dits non-linéaires. Le matériau va réémettre un faisceau dépendant de la longueur d’onde d’entrée. On parle de génération d’harmoniques. Dans notre cas la longueur d’onde du faisceau de sortie (vert - la longueur d’onde = 0,0005 mm) est de la moitié de celle d’entrée (infrarouge - longueur d’onde = 0,001 mm).

Dans cet atelier, on peut observer deux approches de la vision en relief. Tout d’abord, à l‘aide d’une séparation chromatique de deux images enregistrées séparément, il est possible d’utiliser notre cerveau pour reconstituer la vision 3D. C’est la technique utilisée actuellement au cinéma. L’impression de volume est liée au mouvement de l’image. C’et un effet d’optique. Dans l‘autre cas, il est possible d’avoir une vision réellement 3D avec un hologrammme. Dans ce cas, c’est la reconstruction de l’image par éclairage laser qui permet la vision 3D. Celle-ci dépend, comme dans la vie de la position de notre tête. Il faut bouger pour voir le volume. >>> VIDEOS

Qui n’a jamais envoyé de signaux lumineux avec une lampe électrique ? Les bateaux de guerre utilisent le même principe en envoyant des messages codés en morse grâce à de puissants projecteurs. Dans le cas d’une source laser (par exemple une diode), la directivité extrême du faisceau permet de ne communiquer qu’avec l’interlocuteur placé dans la bonne direction. En envoyant le signal lumiuneux dans une fibre optique, on peut également transporter l’information où l’on veut, comment le courant avec un câble électrique. C’est le même principe dans lecteur de CD. Un faisceau laser est envoyé sur la surface du disque comportant des bosses et des creux, codant la musique. Selon qu’il arrive sur une bosse ou un creu, le faisceau est renvoyé ou non dans la direction d’une photodiode (un détecteur de lumière) qui transforme le signal lumineux en un signal électrique. Celui-ci est ensuite transmis aux hauts parleurs qui le transforme en signal mécanique (sonore).

On envoie une impulsion lumineuse à travers un système de miroirs au sein duquel elle fait de nombreux allers-retours. En mesurant le temps de parcours total, avec un oscilloscope, et connaissant le nombre d’allers-retours, on calcule la vitesse de l’impulsion lumineuse. C’est la vitesse de la lumière 300 000 km/s ! Connaissant la vitesse de la lumière, on peut alors utiliser des impulsions lumineuses pour faire des mesures de distance. C’est le principe du télémètre laser que l’on trouve dans les magasins de bricolage. On envoie un faisceau laser sur un objet sur lequel il se réfléchit et revient vers le télémètre. En mesurant le temps de l’aller-retour et connaissant la vitesse de la lumière, on connaît la distance parcourue. C’est aussi le principe qui a permis de mesurer la distance Terre-Lune à l’aide d’un miroir posé sur la Lune par les astronautes d’Apollo 11 en 1969 et d’un faisceau laser émis depuis la Terre.

Lumière éteinte, on observe l’intérieur du bus avec une lunette thermique : on voit dans le noir ! La lunette thermique utilise le fait que tous les objets émettent un rayonnement invisible (IR) caractéristique de leur température. Cette propriété permet de mesurer des températures à distance et sans contact en utilisant l’émission IR des corps et même faire des images : thermomètre médical, détection de fuite thermique de maison, échauffements anormaux de composants électriques ou électroniques, observation d’animaux sauvages la nuit, détection de présence… EXEMPLE : Cartographié de l’agglomération bordelaise pour repérer les fuites thermiques (CUB) http://www.lacub.com/thermographie/default.asp