Technologie laser

  INTRODUCTION

  La lumière a toujours joué un rôle central dans l'étude de la physique, de la chimie et de la biologie. La lumière est la clé à la fois de l'évolution de l'univers et de l'évolution de la vie sur Terre. Au cours de ce siècle, une nouvelle forme de lumière, la lumière laser, a été découverte sur notre petite planète et facilite déjà une transformation globale de l'information, tout en apportant une contribution importante à la médecine, au traitement du matériel industriel, au stockage de données, à l'impression et à la défense. Cette revue retracera les évolutions scientifiques et technologiques qui ont conduit à l’invention du laser et donnera quelques exemples de la manière dont les lasers contribuent à la fois aux applications technologiques et aux progrès de la science fondamentale. Il existe de nombreuses autres excellentes sources couvrant divers aspects des lasers et de la technologie laser, notamment des articles du 25e anniversaire du laser (Ausullell et Langford, 1987) et des manuels (par exemple, Siegman, 1986; Agrawal et Dutta, 1993). Ready, 1997).

  L'amplification de la lumière par émission de rayonnement stimulée (LASER) est obtenue en excitant les modes électronique, vibratoire, rotationnel ou coopératif d'un matériau dans un état hors équilibre de sorte que les photons se propageant dans le système soient amplifiés de manière cohérente par émission stimulée. L'excitation de ce milieu à gain optique peut être réalisée en utilisant un rayonnement optique, un courant électrique et des décharges ou des réactions chimiques. Le milieu amplificateur est placé dans une structure de résonateur optique, par exemple entre deux miroirs à réflectivité élevée dans une configuration d'interféromètre de Fabry-Perot. Lorsque le gain en nombre de photons pour un mode optique du résonateur à cavité dépasse la perte en cavité, ainsi que les pertes dues aux processus d'absorption et non radiatif, l'amplitude à l'état cohérent du mode augmente jusqu'à un niveau où le nombre moyen de photons dans le mode est plus grand. d'un. Aux niveaux de pompe supérieurs à cette condition de seuil, le système émet des signaux laser et l’émission stimulée domine l’émission spontanée. Un faisceau laser est généralement couplé à l'extérieur du résonateur par un miroir partiellement émetteur. Les propriétés merveilleusement utiles du rayonnement laser incluent la cohérence spatiale, une émission spectrale étroite, une puissance élevée et des modes spatiaux bien définis, de sorte que le faisceau puisse être focalisé sur une taille de spot limitée par diffraction afin d'obtenir une intensité très élevée. Le rendement élevé de la génération de lumière laser est important dans de nombreuses applications nécessitant une faible puissance absorbée et un minimum de génération de chaleur.

  Lorsqu'un faisceau laser à état cohérent est détecté à l'aide de techniques de comptage de photons, la distribution dans le temps du nombre de photons est poissonienne. Par exemple, une sortie audio d’un photomultiplicateur à haute efficacité détectant un champ laser sonne comme de la pluie sous une pluie continue. Ce bruit laser peut être modifié dans des cas particuliers, par exemple, par pompage à courant constant d'une diode laser pour obtenir un état de nombre compressé où les photons détectés ressemblent plus à une mitrailleuse qu'à la pluie.

Un amplificateur optique est obtenu si le milieu de gain ne se trouve pas dans une cavité résonante. Les amplificateurs optiques peuvent atteindre un gain très élevé et un faible bruit. En fait, ils ont actuellement des valeurs de bruit proches de la limite de bruit quantique de 3 dB pour un amplificateur linéaire insensible à la phase, c’est-à-dire qu’ils n’ajoutent qu’un facteur deux à la puissance de bruit d’un signal d’entrée. Les amplificateurs optiques paramétriques (OPA), dans lesquels le gain de signal est obtenu par couplage non linéaire d'un champ de pompage avec des modes de signal, peuvent être configurés pour ajouter moins de 3 dB de bruit au signal d'entrée. Dans un OPA, le bruit ajouté au signal d'entrée peut être dominé par le bruit de pompe et le bruit généré par un faisceau de pompe laser peut être négligeable par rapport à la grande amplitude du champ de la pompe.

  II.HISTOIRE

  Einstein (1917) a fourni la première idée essentielle pour l'émission stimulée par laser. Pourquoi le laser n’a-t-il pas été inventé plus tôt dans le siècle? Une grande partie des premiers travaux sur les émissions stimulées sont concentrés sur des systèmes proches de l'équilibre, et le laser est un système très instable. Rétrospectivement, le laser aurait facilement pu être conçu et démontré en utilisant une décharge de gaz pendant la période d’études spectroscopiques intenses de 1925 à 1940. Cependant, il a fallu la technologie à micro-ondes développée pendant la Seconde Guerre mondiale pour créer l’atmosphère du concept de laser. Charles Townes et son groupe de Columbia ont conçu l’idée du maser (amplification hyperfréquence par émission de rayonnement stimulée), en s’appuyant sur leur expérience de la technologie hyperfréquence et leur intérêt pour la spectroscopie hyperfréquence à haute résolution. Des idées de maser similaires ont été développées à Moscou (Basov et Prokhorov, 1954) et à l'Université du Maryland (Weber, 1953). Le premier maser expérimental démontré à l'Université Columbia (Gordon et al., 1954, 1955) était basé sur un faisceau moléculaire d'ammoniac. Les idées de Bloembergen pour des gains sur des systèmes à trois niveaux ont donné naissance aux premiers amplificateurs maser pratiques du système Ruby. Ces appareils ont des valeurs de bruit très proches de la limite quantique et ont été utilisés par Penzias et Wilson pour la découverte du rayonnement de fond cosmique.

  Townes était convaincu que le concept de maser pourrait être étendu à la région optique (Townes, 1995). L'idée du laser est née (Schawlow et Townes, 1958) lorsqu'il en a discuté avec Arthur Schawlow, qui avait compris que les modes résonateurs d'un interféromètre de Fabry-Perot pourraient réduire le nombre de modes interagissant avec le matériau de gain afin atteindre un gain élevé pour un mode individuel. Le premier laser a été présenté dans un cristal de rubis pompé par une lampe flash par Ted Maiman aux laboratoires de recherche Hughes (Maiman, 1960). Peu de temps après la démonstration de lasers à cristaux pulsés, un laser à décharge gazeuse He: Ne à onde continue (CW) a été mis en évidence chez Bell Laboratories (Javan et al., 1961), d'abord à 1,13 µm, puis à 632,8 nm rouge. transition laser en longueur d'onde. Un excellent article sur la naissance du laser est publié dans un numéro spécial de Physics Today (Bromberg, 1988).

Le maser et le laser ont initié le domaine de l'électronique quantique qui couvre les disciplines de la physique et du génie électrique. Pour les physiciens qui pensaient avant tout en termes de photons, certains concepts de laser étaient difficiles à comprendre sans les concepts d'ondes cohérentes connus dans la communauté du génie électrique. Par exemple, la largeur de raie laser peut être beaucoup plus étroite que la limite que l’on pourrait penser imposée par la durée de vie spontanée de la transition laser. Charles Townes a remporté une bouteille de scotch sur ce point d'un collègue de Columbia. Le laser et le maser démontrent également avec brio l’échange d’idées et l’élan entre la recherche industrielle, gouvernementale et universitaire.

  Initialement, entre 1961 et 1975, il y avait peu d'applications pour le laser. C'était une solution à la recherche d'un problème. Depuis le milieu des années 70, la technologie laser pour les applications industrielles a connu une croissance explosive.

  En raison de cette croissance technologique, une nouvelle génération de lasers comprenant des lasers à diode à semi-conducteur, des lasers à colorant, des lasers à saphir à mode ultra-rapide, des oscillateurs à paramètres optiques et des amplificateurs paramétriques facilite actuellement de nouvelles percées dans la recherche en physique, chimie et biologie.

  III.LASERS AU TOUR DU SIÈCLE

  La «loi» de Schawlow stipule que tout est négligeable s’il est pompé suffisamment fort. En effet, des milliers de matériaux ont été démontrés en tant que lasers et amplificateurs optiques, produisant une large gamme de tailles de laser, de longueurs d'onde, de longueurs d'impulsions et de puissances. Les longueurs d'onde du laser vont de l'infrarouge lointain à la région des rayons x. Des impulsions de lumière laser ne dépassant pas quelques femtosecondes sont disponibles pour la recherche sur la dynamique des matériaux. Les puissances de crête dans la plage de petawatt sont maintenant atteintes par l’amplification d’impulsions femtosecondes. Lorsque ces niveaux de puissance sont concentrés dans un point limité par la diffraction, les intensités approchent 1023 W / cm2. Les électrons dans ces champs intenses sont accélérés dans la plage relativiste au cours d'un seul cycle optique et des effets électrodynamiques quantiques intéressants peuvent être étudiés. La physique des impulsions laser ultracourtes est passée en revue dans cette série du centenaire (Bloembergen, 1999).

  Un exemple récent de laser puissant et puissant est le laser chimique basé sur une transition de l'iode à une longueur d'onde de 1,3 µm, envisagé comme une arme défensive (Forden, 1997). Il pourrait être monté sur un Boeing 747 et produirait une puissance moyenne de 3 mégawatts, équivalant à 30 torches à acétylène. De nouvelles avancées dans les miroirs diélectriques de haute qualité et les miroirs déformables permettent à ce faisceau intense de se focaliser de manière fiable sur un petit missile transportant des agents biologiques ou chimiques et de le détruire à des distances allant jusqu'à 100 km. Cette attaque de «guerre des étoiles» peut être accomplie pendant la phase de lancement du missile cible afin que des parties du missile détruit retombent sur son lanceur, ce qui constitue un bon moyen de dissuasion pour ces armes diaboliques. Le capitaine Kirk et le vaisseau Enterprise pourraient utiliser celui-ci sur les Klingons!

À l'extrémité opposée de la plage de taille du laser se trouvent des micro-lasers si petits que seuls quelques modes optiques sont contenus dans un résonateur dont le volume est compris dans la plage du femtolitre. Ces résonateurs peuvent prendre la forme d’anneaux ou de disques de quelques microns de diamètre, utilisant la réflexion interne totale au lieu des miroirs empilés diélectriques classiques, afin d’obtenir une réflectivité élevée. Les cavités Fabry Perot ne dépassant pas le micron sont utilisées pour les VCSEL (lasers à émission de surface à cavité verticale) générant des faisceaux optiques de haute qualité pouvant être efficacement couplés à des fibres optiques (Choquette et Hou, 1997). Les VCSEL peuvent trouver une application répandue dans les liaisons de données optiques.

  Les ventes mondiales de lasers sur les principaux marchés commerciaux en 1997 (Anderson, 1998; Steele, 1998) sont schématisées à la figure 1. Les ventes totales de lasers ont atteint 3,2 milliards de dollars et un taux de croissance annuel de près de 27% supérieur à 5 milliards de dollars. d’ici à l’an 2000. La répartition mondiale des ventes de lasers est de 60% aux États-Unis, 20% en Europe et 20% dans le Pacifique. Les diodes lasers à semi-conducteurs représentent près de 57% du marché des lasers en 1997. Les lasers à diode en télécommunications représentent à eux seuls 30% du marché total.

  Le traitement des matériaux est le deuxième marché en importance avec des applications telles que le soudage, le brasage, le modelage et la coupe de tissus. Les lasers à CO2 de puissances moyennes de l'ordre de 100 W représentent une grande partie des revenus de cette catégorie. Les lasers à diodes haute puissance avec des puissances comprises entre 1 et 20 W et des longueurs d’onde comprises entre 750 et 980 nm trouvent maintenant une grande variété d’applications dans le traitement de matériaux ainsi que dans les applications ophtalmiques et chirurgicales, l’instrumentation et la détection.

  La croissance des applications laser médicales est largement due aux procédures cosmétiques telles que le resurfaçage de la peau et l'épilation. Une grande partie des lasers médicaux sont encore utilisés dans des applications ophtalmologiques et chirurgicales générales.

  Les lasers Nd: YAG et les systèmes à diode laser doublés en fréquence remplacent les lasers à argonion en ophtalmologie. De nouveaux lasers, notamment le laser YAG à dopage à l'erbium, sont largement utilisés en dermatologie, en dentisterie et en ophtalmologie.

  Le stockage optique représente 10% du marché sur lequel se trouvent les lasers utilisés dans les lecteurs de disques compacts (CD) pour les marchés du divertissement et de l’informatique. Le laser à semi-conducteur GaAs à 800 nm de longueur d’onde pour ces applications est fabriqué de manière si efficace aujourd’hui que les coûts du laser sont ramenés à près de 1 $ chacun. Plus de 200 millions de lasers à diode, avec des longueurs d’onde comprises entre 750 et 980 nm et des puissances de quelques milliwatts, ont été vendus pour le stockage optique en 1997.

 L'avènement des disques vidéo numériques (DVD) avec une capacité de stockage de 4,7 Go et des lasers à diode bleue (DenBaars, 1997) entraînera une croissance supplémentaire dans ce domaine.

  Les applications laser d'enregistrement d'images comprennent les imprimantes pour ordinateurs de bureau, les télécopieurs, les copieurs et l'impression commerciale (Gibbs, 1998). Les lasers à diodes monomodes de faible puissance émettant entre 780 et 670 nm sont utilisés dans les enregistreurs d'images utilisés pour produire des films de séparation des couleurs avec une sensibilité élevée dans cette gamme de longueurs d'onde. Cette technologie d’impression couleur au laser s’est associée à un logiciel de publication assistée par ordinateur pour permettre la création de pages de haute qualité. La technologie de l’informatique à la plaque est un autre développement important de l’impression. Une image de la surface de la plaque d'impression est directement obtenue en l'exposant avec un faisceau laser au lieu d'utiliser des séparations de couleurs sur film. Par exemple, des plaques revêtues de photopolymère peuvent être exposées avec des lasers Nd: YAG pompés par diode à fréquence doublée à une longueur d'onde de 532 nm. Plus récemment, des plaques thermosensibles ont été développées pour être utilisées avec des lasers à motifs dans le proche infrarouge.

Les marchés des lasers à télédétection comprennent l’évitement des collisions automobiles, les détecteurs de produits chimiques atmosphériques et la détection des mouvements de l’air. La télémétrie laser fournit des cartes d'altitude détaillées de la Terre, y compris les mouvements de masse terrestre, la biomasse, la couverture nuageuse et brumeuse et l'évolution de la calotte glaciaire. Les lasers allant des satellites peuvent atteindre une résolution inférieure au centimètre des caractéristiques d'élévation et des mouvements de masse terrestre sur la Terre. La Lune, Mars et d’autres planètes sont également cartographiées au laser. Pour les planètes, la précision de mesure est comprise entre mètres et centimètres. Les caractéristiques détaillées de la calotte glaciaire sur Mars ainsi que les nuages ​​près du bord de la calotte glaciaire ont récemment été cartographiés.

  Les applications laser dans les domaines de la recherche, de la numérisation de codes à barres, de l'inspection, de l'art et du divertissement sont des marchés petits mais importants. Les lasers vendus pour la recherche fondamentale en 1997 ont généré des revenus de 132 millions de dollars. Les sources de diode à double fréquence, émettant dans le vert à des puissances voisines de 10 W, sont utilisées en tant que lasers à pompe pour les lasers à fréquence ajustable comme le laser Ti: saphir et les amplificateurs paramétriques optiques. Même un laser de recherche sur table peut atteindre le régime de pointe de pétawatt avec des amplificateurs optiques à grand volume. Ces impulsions ultra courtes et hautement accordables entraînent des avancées dans de nombreux domaines de recherche.

  IV.LASERS DANS LES COMMUNICATIONS

  Les sources de lumière laser ont révolutionné le secteur des communications. Les communications vocales ont accru la demande de capacité de transmission de l'information à un rythme soutenu jusqu'au milieu des années 1970. Le temps de doublement de la capacité de transport au cours de cette période était d’environ 8 ans. Le débit de données de base était compris entre 10 et 80 kHz, en fonction des transmissions audio. Au cours de cette période, les premières technologies de communication ont été les fils de cuivre, puis les micro-ondes. Puis, dans les années 1980, une augmentation explosive du taux d’information a été ajoutée, avec l’ajout de données, de télécopies et d’images au flux d’informations. La nouvelle technologie de communication par fibre optique utilisant des sources de lumière laser a été développée pour répondre à cette nouvelle demande. L'avènement de l'Internet mondial a entraîné une explosion de la demande de capacité encore plus surprenante. Au niveau de la source de données, les terminaux informatiques sont utilisés pour accéder à Internet dans les foyers et les entreprises du monde entier, ce qui entraîne une augmentation exponentielle des débits de données. Lorsque les débits d'ordinateur des postes de travail approchent 1 000 MIPS, des liaisons de communication par fibre optique avec l'ordinateur dans la plage de 1 000 Mb / s sont nécessaires. Notez la coïncidence de ces taux et que les deux sont en augmentation exponentielle. Il est clair que la demande de capacité de transmission de l’information continuera de croître de manière exponentielle. En réponse à cette demande, la capacité d'information sur une seule fibre optique au cours des quatre dernières années, entre 1994 et 1998, a été multipliée par 160 dans les systèmes commerciaux de 2,5 Gbits / s à 400 Gbits / s.

  Cette augmentation étonnante a été réalisée en utilisant jusqu'à 100 longueurs d'onde laser différentes (multiplexage par division de longueur d'onde dense, DWDM) sur chaque fibre. Les débits de données à une seule longueur d'onde sont passés de quelques dizaines de Mbits / s dans les années 1970 à 10 Gbits / s à l'heure actuelle, et 40 Gbits / s seront probablement utilisés avant le début du siècle.

Cette révolution de l'information remodèle la communauté mondiale au même titre que la révolution de l'imprimerie et que la révolution industrielle a remodelé leurs mondes. Le diode laser à semi-conducteur et l'amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium sont deux des technologies de base qui supportent la révolution de l'information. Les largeurs de lignes faibles, à haute intensité et à faible bruit associées aux oscillateurs et aux amplificateurs laser sont absolument essentielles aux systèmes de communication à fibres optiques. Les sources incohérentes plus larges telles que les diodes électroluminescentes ou les sources thermiques ne répondent pas aux intensités et largeurs de raie spectrales nécessaires de plusieurs ordres de grandeur.

  Les diodes laser à semi-conducteurs ont été mises en service pour la première fois en 1962 par les laboratoires GE, IBM et Lincoln en tant que dispositifs à homojonction basés sur des matériaux III-V. On trouve une histoire de ces premiers lasers à diodes et des références dans Agrawal et Dutta (1993). Lorsque les premiers lasers à hétérojonction GaAs / AlGaAs à température ambiante, des lasers à diodes à ondes continues ont été exploités en 1970 par Hayashi et Panish (Hayashi et al., 1970). chez Bell Labs et Alferov (Alferov et al., 1970) en Russie, leur durée de vie a été mesurée en minutes. La fiabilité des diodes laser a considérablement augmenté depuis. La durée de vie des lasers à diodes est actuellement estimée à des centaines d'années et la stabilité de la longueur d'onde est supérieure à 0,1 nm sur une période de 25 ans. Ces étonnantes stabilités sont nécessaires pour les nouveaux systèmes DWDM avec plus de 100 canaux de longueur d'onde couvrant des plages de longueur d'onde de 100 nm. Alors que la longueur d'onde optimale pour la fibre de silice à faible perte augmentait de 800 nm à 1 500 nm au cours des années 1970, les longueurs d'onde du laser à diode suivaient l'évolution du système GaAs au système InGaAsP. À la fin des années 80 et au début des années 90, les puits quantiques ont remplacé le semi-conducteur de masse dans la région du gain optique actif afin d'améliorer les caractéristiques de fonctionnement du laser. Un schéma de principe d'une diode laser de télécommunication actuelle intégrée à un modulateur à électro-absorption est présenté à la Fig. 2. Les dimensions hors tout sont inférieures à 1 mm. Une région d'indice de réfraction élevé et un réseau de retour distribué enterré (DFB), situés sous les puits quantiques actifs, définissent la cavité optique du laser et la longueur d'onde du laser, respectivement.

  Les systèmes de communication par fibre optique reposent également fortement sur l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium mis au point à la fin des années 1980 (Urquhart, 1988). Ces amplificateurs ont une haute

FIGUE. 2. Un schéma de principe d'une diode laser à semi-conducteur avec un modulateur d'électroabsorption utilisé dans les systèmes de communication optique. (Gracieuseté de L. L. Hartman, Lucent Technologies), gain proche de 25 dB et chiffres de faible bruit proches de la limite de bruit quantique à 3 dB pour un amplificateur linéaire insensible à la phase. Le gain de ces amplificateurs peut être égalisé sur des largeurs de bande allant jusqu'à 100 nm, couvrant près du quart de la fenêtre en fibre de silice à faibles pertes, comprises entre 1,2 et 1,6 µm de longueur d'onde. Les systèmes de fibre optique peuvent être rendus «transparents» sur des milliers de kilomètres à l’aide d’amplificateurs à fibre optique à densités d’erbium espacées d’environ 80 km, où les pertes par fibre approchent de 20 dB.

En cette fin de siècle, nous approchons rapidement des limites physiques fondamentales pour les lasers, les amplificateurs optiques et les fibres de silice. Les largeurs de raie du laser se situent dans la gamme des 10 MHz et sont limitées par les fluctuations fondamentales des émissions spontanées et le couplage indice de gain dans les matériaux semi-conducteurs. Le nombre de photons dans un bit d'information détecté se rapproche de la limite fondamentale d'environ 60 photons requise lors de l'utilisation de champs lumineux laser à état cohérent afin de maintenir un taux d'erreur inférieur à 1 partie sur 109. Un rendement d'utilisation de la bande passante de 1 bit / sec / Hz a récemment été démontré. Les largeurs de bande des amplificateurs optiques ne couvrent pas encore la largeur de 400 nm de la fenêtre à fibres à faibles pertes, mais elles se développent rapidement. Les limites fondamentales imposées par les distorsions non linéaires et dispersives dans les fibres de silice rendent très difficile la transmission à des débits supérieurs à 40 Gbits / s sur de longues distances. Les solitons optiques peuvent être utilisés pour équilibrer ces distorsions, mais même avec les solitons, les limites fondamentales demeurent pour les systèmes multi-longueurs d'onde à haut débit. Les limites de capacité de canal imposées par la théorie de l'information sont à l'horizon. Il est clair que, pour les siècles à venir, trouver encore plus de capacité de transmission d’informations répondant au désir de communiquer toujours plus grandissant.

  V. TRAITEMENT DES MATÉRIAUX ET LITHOGRAPHIE

  Les lasers CO2 et Nd: YAG à haute puissance sont utilisés dans une grande variété d'applications de gravure, de découpage, de soudage, de brasage et de prototypage 3D. Les lasers CO2 scellés à excitation RF sont disponibles dans le commerce. Ils ont des puissances de sortie comprises entre 10 et 600 W et une durée de vie de plus de 10 000 heures. Les applications de découpe au laser comprennent les voiles à voile, les parachutes, les textiles, les airbags et la dentelle. La coupe est très rapide, précise, il n'y a pas de décoloration des bords, et un bord fondu net est obtenu, ce qui élimine l'effilochage du matériau. Les motifs complexes sont gravés dans le bois, le verre, l'acrylique, les tampons en caoutchouc, les plaques d'impression, le plexiglas, les enseignes, les joints et le papier. Les modèles tridimensionnels sont rapidement fabriqués à partir de plastique ou de bois à l'aide d'un fichier informatique de CAO (conception assistée par ordinateur).

  Les lasers à fibre (Rossi, 1997) constituent un ajout récent au domaine de la transformation des matériaux. Les premiers lasers à fibre ont été démontrés chez Bell Laboratories en utilisant des fibres de cristal dans le but de développer des lasers pour les communications par ondes lumineuses sous-marines. Les lasers à fibre de silice fondue dopés ont rapidement été développés. À la fin des années 1980, des chercheurs de Polaroid Corp. et de l’Université de Southampton ont inventé les lasers à fibre à pompage de gaine. Le verre entourant le noyau de guidage dans ces lasers sert à la fois à guider la lumière dans le noyau monomode et à servir de conduit multimode pour la lumière de pompe dont la propagation est confinée à la gaine interne par un revêtement de polymère externe à faible indice de réfraction. Les schémas de fonctionnement typiques actuels utilisent un barreau laser diode multimode 20 W qui se couple efficacement dans la région de gaine intérieure de grand diamètre et qui est absorbé par la région centrale dopée sur toute sa longueur (typiquement 50 m). Les dopants dans le coeur de la fibre qui fournissent le gain peuvent être l'erbium pour la région de longueur d'onde de 1,5 µm ou l'ytterbium pour la région de 1,1 µm. Des miroirs creux de haute qualité sont déposés directement aux extrémités de la fibre. Ces lasers à fibre sont extrêmement efficaces, leur efficacité globale pouvant atteindre 60%. La qualité du faisceau et l'efficacité de la livraison sont excellentes puisque la sortie est formée en tant que sortie monomode de la fibre. Ces lasers ont maintenant des puissances de sortie allant de 10 à 40 W et une durée de vie de près de 5 000 heures. Les applications actuelles de ces lasers comprennent le recuit de composants micromécaniques, la découpe de pièces en acier inoxydable de 25 à 50 µm d'épaisseur, la soudure sélective et le soudage de pièces mécaniques complexes, le marquage de composants en plastique et en métal et les applications d'impression.

Les lasers à excimères commencent à jouer un rôle clé dans la photolithographie utilisée pour fabriquer des puces VLSI (circuits intégrés à très grande échelle). À mesure que les règles de conception du circuit intégré (IC) diminuent de 0,35 µm (1995) à 0,13 µm (2002), la longueur d'onde de la source de lumière utilisée pour la configuration photolithographique doit diminuer en conséquence de 400 nm à moins de 200 nm. Au début des années 90, le rayonnement à arc au mercure produisait une puissance suffisante à des longueurs d'onde suffisamment courtes, soit 436 nm et 365 nm, pour permettre à des cadences élevées de production de circuits intégrés configurés selon les règles de conception respectives de 0,5 µm et 0,35 µm. Alors que le siècle se ferme, des sources laser à excimère d'une puissance de sortie moyenne de 200 W remplacent les arcs au mercure. Les largeurs de raie du laser excimer sont suffisamment larges pour empêcher la formation de motifs de chatoiement, mais suffisamment étroites (largeur de longueur d'onde inférieure à 2 nm) pour éviter les problèmes majeurs de dispersion en imagerie optique. Le rayonnement laser excimer au fluorure de krypton (KF) à une longueur d'onde de 248 nm prend en charge les règles de conception de 0,25 µm et la transition du laser ArF à 193 nm sera probablement utilisée à partir des règles de conception de 0,18 µm. Avec des règles de conception encore plus réduites, jusqu'à 0,1 µm d'ici 2008, la longueur d'onde du laser excimer F2 à 157 nm est un candidat possible, bien qu'aucune résine photosensible n'ait été développée pour cette longueur d'onde. Les harmoniques supérieures des lasers à l'état solide sont également des possibilités en tant que sources UV de forte puissance. Même à des longueurs d'ondes plus courtes, il est très difficile pour les éléments optiques et les photorésist de satisfaire aux exigences des systèmes lithographiques. Les faisceaux d'électrons, les rayons X et le rayonnement synchrotron sont toujours à l'étude pour les règles de conception à 70 nm prévues pour 2010 et les suivantes.

  VI.LASERS EN MEDECINE

  Les lasers dont les longueurs d'onde vont de l'infrarouge au UV sont utilisés en médecine à des fins diagnostiques et thérapeutiques (Deutsch, 1997). Les lasers interagissent avec des tissus non homogènes par absorption et diffusion.

  Les absorbeurs comprennent les pigments cutanés à la mélanine, l'hémoglobine dans le sang et les protéines. Aux longueurs d'onde supérieures à 1 µm, l'absorbeur principal est l'eau. Les colorants peuvent également être introduits dans les tissus pour une absorption sélective. Par exemple, en thérapie photodynamique, des photosensibilisateurs au colorant à l'hématoporphyrine qui absorbent dans la plage de longueurs d'onde de 630 à 650 nm peuvent être introduits dans le système et utilisés pour traiter les tumeurs cancéreuses par irradiation laser locale dans les voies urinaires ou l'œsophage. La diffusion dans les tissus limite la pénétration des radiations; par exemple, à une longueur d'onde de 1 µm, la profondeur de pénétration est limitée à quelques millimètres. Les processus de diffusion sont à l'étude dans l'espoir d'obtenir des images à haute résolution pour le dépistage du cancer du sein. L'interaction du laser avec les tissus dépend du fait que le laser soit pulsé ou en ondes entretenues. Des impulsions laser brèves, dans lesquelles aucune diffusion thermique ne se produit pendant l'impulsion, peuvent être utilisées pour limiter la profondeur des effets laser. Ce phénomène, associé à un réglage sélectif de la longueur d'onde du laser, est utilisé en dermatologie pour le traitement des lésions cutanées et pour l'élimination des varicosités, des tatouages ​​et des cheveux. Les interactions non linéaires jouent également un rôle important. Par exemple, la décomposition induite par laser est utilisée pour la fragmentation des calculs rénaux et vésiculaires.

L'intérieur de l'œil étant facilement accessible en lumière, les applications ophtalmologiques ont été les premières utilisations généralisées des lasers en médecine. Les lasers à l'argon sont utilisés depuis de nombreuses années pour traiter le décollement de la rétine et les saignements des vaisseaux rétiniens. La disponibilité généralisée des lasers CO2 et Nd: YAG, qui coupent les tissus tout en coagulant les vaisseaux sanguins, a conduit à leur utilisation précoce en chirurgie générale. Le laser Er: YAG a récemment été introduit pour les applications dentaires avec la promesse d'une réduction spectaculaire de la douleur, certainement une contribution bienvenue de la technologie laser.

  Les procédures de diagnostic utilisant le laser prolifèrent rapidement. Certaines techniques sont largement utilisées en pratique clinique. Par exemple, le cytomètre en flux utilise deux faisceaux laser focalisés pour exciter séquentiellement la fluorescence de particules cellulaires ou de molécules s'écoulant dans un liquide à travers une buse. Les signaux fluorescents mesurés peuvent être utilisés pour le tri ou l'analyse de cellules. Les applications cliniques de routine de la cytométrie en flux comprennent l'immunophénotypage et la mesure du contenu en ADN. Les cytomètres de flux sont utilisés pour séparer physiquement un grand nombre de chromosomes humains. Les chromosomes triés fournissent des matrices d'ADN pour la construction de banques d'ADN recombinant pour chacun des chromosomes humains. Ces bibliothèques sont une composante importante du génie génétique.

Une nouvelle technique d'imagerie médicale basée sur le laser (Guillermo et al., 1997) basée sur la technologie laser appelée tomographie par cohérence optique (OCT) permet d'obtenir une résolution spatiale des tissus dans la plage des 10 µm. Les résolutions d'imagerie par ultrasons et par résonance magnétique (IRM) sont limitées à une plage de 100 µm à 1 mm. La nouvelle technique OCT haute résolution est suffisamment sensible pour détecter les anomalies associées au cancer et à l'athérosclérose à un stade précoce. La technique OCT est similaire à l'échographie, mais elle utilise une source de lumière infrarouge à large bande spectrale brillante avec une longueur de cohérence proche de 10 µm, ce qui permet une amélioration d'au moins un ordre de grandeur de la résolution par rapport aux techniques acoustiques et IRM. La source peut être une diode super luminescente, un laser Cr: forsterite ou un laser Ti: Sapphire à mode verrouillé. L’OCT réalise une télémétrie optique dans les tissus en utilisant un interféromètre de Michelson à fibre optique. Etant donné que des interférences ne sont observées que lorsque les longueurs de chemin optique de l'échantillon et les bras de référence de l'interféromètre correspondent à la longueur de cohérence de la source, des mesures de distance de précision sont obtenues. L'amplitude du signal réfléchi / diffusé en fonction de la profondeur est obtenue en faisant varier la longueur du bras de référence de l'interféromètre. Une image en coupe transversale est produite lorsque des profils séquentiels de réflexion / diffusion axiale sont enregistrés pendant que la position du faisceau est balayée sur l'échantillon. Des études récentes ont montré que les PTOM peuvent imager la morphologie architecturale de tissus très dispersés tels que la rétine, la peau, le système vasculaire, le tractus gastro-intestinal et les embryons en développement. Une image d'une trachée de lapin obtenue à l'aide de cette technique associée à un cathéterendoscope est montrée à la Fig. 3. L'OCT est déjà utilisé cliniquement pour le diagnostic d'un large éventail de maladies maculaires rétiniennes.

  Une technique optique élégante et nouvelle utilisant des gaz à polarisation de spin (Mittleman et al., 1995) est à l'étude pour améliorer les images IRM des poumons et du cerveau. Les spins nucléaires dans les gaz Xe et 3He sont alignés en utilisant un rayonnement laser polarisé de manière circulaire. Ces noyaux alignés ont des magnétisations presque 105 fois supérieures à celles des protons normalement utilisés en imagerie IRM. Le xénon est utilisé comme sonde cérébrale car il est soluble dans les lipides. Dans les régions comme les poumons, qui ne contiennent pas suffisamment d’eau pour les images d’IRM à contraste élevé, 3He fournit les images à contraste élevé. On peut même regarder 3He couler dans les poumons pour des diagnostics fonctionnels.

  VII.LASERS EN BIOLOGIE

  Les applications laser en biologie peuvent être illustrées avec deux exemples, des pincettes laser et des microsiphones à deux photons.

FIGUE. 3. Images de tomographie par cohérence optique d'une trachée de lapin in vivo. (a) Cette image permet de visualiser différentes couches architecturales, y compris l'épithélium (e), le stroma muqueux (m), le cartilage (c) et le tissu adipeux (a).

  Le muscle trachéal peut être facilement identifié. (B) Histologie correspondante. Barre, copie 500 µm. Lorsque la lumière laser collimatée est focalisée à proximité ou à l'intérieur d'un petit corps diélectrique, comme une cellule biologique, la réfraction de la lumière dans la cellule provoque un effet de lentille. Une force est transmise à la cellule par transfert d’impulsion à partir du faisceau lumineux en flexion. Arthur Ashkin de Bell Laboratories (Ashkin, 1997) a constaté qu'en modifiant la forme et la position du volume focal dans un arrangement microscopique, une cellule peut être facilement déplacée ou piégée avec ces forces de pincement au laser en utilisant des intensités lumineuses proches de 10 W / cm2. À ces niveaux de lumière et à ces longueurs d’ondes dans le proche infrarouge, il n’ya pas de dommage significatif ni de chauffage des constituants de la cellule. Les pinces laser sont maintenant utilisées pour déplacer des corps subcellulaires comme des mitochondries dans une cellule (Sheetz, 1998). Les techniques de pincement peuvent également être utilisées pour étirer des brins d'ADN en configurations linéaires pour des études détaillées. Deux faisceaux laser peuvent être utilisés pour stabiliser une cellule, puis un troisième faisceau à une longueur d'onde différente peut être utilisé pour des études spectroscopiques ou dynamiques. Les lasers à impulsions sont utilisés en tant que "ciseaux" pour apporter des modifications spécifiques aux structures cellulaires ou pour percer de petits trous dans les membranes cellulaires afin que des molécules ou du matériel génétique puissent être introduits de manière sélective dans la cellule.

FIGUE. 4. (Couleur) Image fluorescente au microscope confocal à deux photons d'une cellule de Purkenji vivante dans une tranche de cerveau. Les dimensions de la cellule sont de l'ordre de 100 µm.

  La microscopie confocale à balayage et la microscopie optique à deux photons sont d’excellents exemples de la contribution de la technologie laser à la biologie. L'imagerie tridimensionnelle de cellules nerveuses de près de 200 µm dans des cerveaux en fonctionnement et des embryons en développement est maintenant une réalité. Les microscopes confocaux pratiques ont été largement utilisés à la fin des années 1980 grâce à des sources de lumière laser fiables. La résolution de la lentille dans un microscope confocal est utilisée à la fois pour focaliser la lumière sur un point limité par diffraction et pour imager à nouveau principalement les photons de signal, c'est-à-dire ceux qui ne sont pas fortement diffusés par l'échantillon, sur une ouverture. Même si des images 3D haute résolution sont obtenues, ce schéma à photon unique constitue une utilisation inutile de la lumière éclairante puisqu’une fraction majeure est dispersée à l’écart de l’ouverture ou est absorbée par l’échantillon. En microscopie à fluorescence, le photodécoupage du fluorophore est un facteur particulièrement limitant pour la microscopie confocale à un seul photon.

  La microscopie confocale à balayage multiphotonique a été introduite en 1990 et résout bon nombre des problèmes posés par les techniques à photon unique. Un microscope à deux photons typique utilise des impulsions courtes de 100 fs provenant d'un laser verrouillé en mode Ti: saphir à des niveaux de puissance moyens proches de 10 mW. L'intensité élevée au sommet de chaque impulsion provoque une forte absorption de deux photons et une fluorescence uniquement dans le petit volume focal, et tout le rayonnement fluorescent peut être collecté pour un rendement élevé. La lumière excitante est choisie pour une absorption et des dommages minimaux d'un photon unique, de sorte que la technique à deux photons présente une résolution très élevée, des dommages faibles et une pénétration profonde.

  La figure 4 montre une belle image fluorescente à deux photons d'une cellule de Purkenji vivante dans une tranche de cerveau (Denk et Svoboda, 1997). Des neurones pyrimidaux néocorticaux dans les couches 2 et 3 du cortex somatosensoriel de rat ont été imagés à des profondeurs de 200 µm sous la surface du cerveau. Les images animées du développement de l'embryon sont encore plus impressionnantes. La microscopie embryonnaire est particulièrement sensible aux dommages photographiques et la technique des deux photons ouvre de nouvelles perspectives dans ce domaine.

  VIII.LASERS EN PHYSIQUE

  La technologie laser a stimulé une renaissance des spectroscopies dans tout le spectre électromagnétique. La largeur de raie laser étroite, les puissances élevées, les impulsions courtes et la large gamme de longueurs d'onde ont permis de nouvelles études dynamiques et spectrales des gaz, des plasmas, des verres, des cristaux et des liquides. Par exemple, des études de diffusion Raman de phonons, de magnons, de plasmons, de rotons et d'excitations dans des gaz d'électrons 2D se sont multipliées depuis l'invention du laser. Les spectroscopies laser non linéaires ont entraîné une augmentation importante de la précision de la mesure décrite dans un article de ce volume (Ha¨ nsch and Walther, 1999).

  Les lasers à colorant stabilisés en fréquence et les lasers à diode parfaitement adaptés aux transitions atomiques ont entraîné la formation d'atomes ultra-froids et de condensats de Bose Einstein, également décrits dans ce volume (Wieman et al., 1999). Le contrôle d'état atomique et les mesures de la non-conservation de la parité atomique ont atteint une précision qui permet de tester le modèle standard en physique des particules ainsi que des recherches cruciales pour une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Dans des expériences récentes de non conservation de la parité (Wood et al., 1997), des atomes de Ce sont préparés dans des états électroniques spécifiques lorsqu'ils passent à travers deux faisceaux laser à diode rouge. Ces atomes préparés entrent ensuite dans un résonateur à cavité optique où les atomes sont excités à un niveau d'énergie plus élevé par une lumière verte de haute intensité injectée dans la cavité à partir d'un laser à colorant stabilisé en fréquence. Les champs électriques et magnétiques appliqués dans cette région d'excitation peuvent être inversés pour créer un environnement en miroir pour les atomes.

Une fois que l'atome a quitté la région d'excitation, le taux d'excitation de l'atome est mesuré par un troisième laser à diode rouge. De très petites variations de cette vitesse d'excitation avec un reflet des champs électriques et magnétiques appliqués indiquent une non-conservation de la parité. La précision de la mesure de la non-conservation de la parité a évolué sur plusieurs décennies pour atteindre un niveau de 0,35%. Cette précision de mesure correspond à la première isolation définitive de la violation de parité atomique dépendant du spin nucléaire. À ce niveau de précision, il est clair qu’une composante de l’interaction électron-nucléaire est due à un moment nucléaire anapole, un moment magnétique qui peut être visualisé comme étant produit par les distributions de courant toroïdal dans le noyau.

  Les lasers contribuent également au domaine de l'astrophysique. Un laser Nd: YAG d'une longueur d'onde de 10,6 µm sera utilisé dans les premières expériences pour tenter de détecter les ondes gravitationnelles provenant de sources telles que les supernovas et les étoiles à neutrons en orbite.

  Ces expériences utilisent des interféromètres qui devraient être capables de mesurer une variation de longueur entre les deux bras de l'interféromètre avec une précision d'une pièce sur 1022. Une prédiction de la déformation spatiale de cette ampleur est prévue pour le rayonnement gravitationnel provenant de sources astrophysiques. Les expériences terrestres sont appelées LIGO (Observatoire d’interféromètres à ondes gravitationnelles de lumière) aux États-Unis et GEO en Europe. Une expérience spatiale appelée LISA (Light Interferometer Space Antenna) est également en cours. Les bras de l'interféromètre LIGO ont chacun 4 km de long. Pour la source lumineuse, il est nécessaire d'utiliser un laser de qualité spectrale, à faible bruit et à haute stabilité de fréquence, stable en fréquence et d'une puissance de 10 W. Les miroirs à cavité forment des résonateurs dans chaque bras d'interféromètre qui augmentent la puissance dans les cavités jusqu'à près de 1 kW. Quatre barres Nd: YAG, chaque côté pompé par deux barres de diode de 20 W, amplifient la sortie à fréquence unique d'un oscillateur à anneau non plan de 700 mW à au moins 10 W. Atteindre la sensibilité requise pour la détection d'ondes gravitationnelles signifie de résoudre chaque frange d'interféromètre en une en 1011, un objectif formidable, mais que nous espérons réalisable.

  IX.FUTURE LASER TECHNOLOGIES

  Le laser à électrons libres et les accélérateurs laser sont des exemples de technologies laser en développement pouvant avoir un impact important au cours du prochain siècle. Le laser à électrons libres (FEL) est basé sur le gain optique d'un faisceau d'électrons relativiste ondulant dans un champ magnétique périodique (Sessler et Vaugnan, 1987). Des accélérateurs de faisceaux d'électrons basés sur des cavités hyperfréquences supraconductrices sont en cours de développement dans un nouveau centre FEL des laboratoires Jefferson. Ces cavités d’accélération génèrent des champs élevés dans la plage de 10 à 20 MeV / m et permettent une génération très efficace de lumière FEL qui peut être réglée de l’infrarouge au ultraviolet profond avec des niveaux de puissance moyens dans la plage du kilowatt (Kelley et al., 1996) . À l’heure actuelle, un FEL infrarouge de puissance moyenne de 1 kW est sur le point d’être achevé et il est prévu de passer à un puissant FEL UV profond. À ces immenses pouvoirs, un certain nombre de nouvelles technologies peuvent présenter un intérêt commercial. Des impulsions FEL courtes et intenses peuvent permettre un recuit thermique rapide et le nettoyage des surfaces métalliques. Le recuit laser pulsé peut entraîner une augmentation de l'ordre de grandeur de la dureté des machines-outils. Les puissances FEL moyennes élevées peuvent suffire à faire de la production commerciale d’outils améliorés au laser une réalité. Un autre grand marché qui nécessite de grandes puissances pour le traitement de gros volumes est celui des enveloppements et des tissus en polymère. Dans ce cas, des impulsions FEL intenses peuvent induire une large gamme de propriétés de polymères modifiés, notamment des surfaces de polymères antibactériens pouvant être utilisées pour des emballages d'aliments et des vêtements à la texture agréable et à la durabilité améliorée. Des puissances moyennes élevées et une accordabilité en longueur d'onde sont également importants pour la structuration d'outils de micro-usinage de grande surface utilisés pour imprimer des configurations dans des feuilles de plastique.

Les lasers Petawattclass peuvent constituer la base d’une nouvelle génération d’accélérateurs de particules. La fréquence des accélérateurs de champ à micro-ondes actuellement utilisés sera probablement limitée par des sillages auto-générés à moins de 100 GHz, où les champs d'accélération atteignent la plage des 100 MeV / m. Des faisceaux laser intenses sont utilisés pour générer des champs beaucoup plus élevés dans la gamme des 100 GeV / m (Madena et al., 1995). Par exemple, une technique utilise deux faisceaux laser dont la différence de fréquence est réglée sur la fréquence du plasma d'un gaz ionisé par le laser. Des champs d'accélération aussi élevés que 160 GeV / m peuvent être générés entre les régions de charges d'espace périodiques de l'onde de plasma. Les vitesses de propagation de ces champs gigantesques peuvent être modifiées pour correspondre aux vitesses relativistes des particules accélérées. Il reste beaucoup de travail à faire pour réaliser des accélérateurs pratiques, mais la preuve de principe a déjà été obtenue.

  Les technologies laser en développement et leurs contributions à la science sont trop nombreuses pour être abordées de manière adéquate dans ce bref examen. Les communications laser entre réseaux de satellites, les engins spatiaux à propulsion laser et la fusion laser sont des exemples supplémentaires de technologies laser en développement. Dans les sciences fondamentales, la technologie laser permet de nombreuses expériences nouvelles, y compris la correction des distorsions atmosphériques en astronomie en utilisant les réflexions laser de la couche de sodium dans la haute atmosphère et des études sur l'électrodynamique quantique en utilisant des faisceaux laser ultra intenses. Tout comme il était difficile d’envisager le potentiel des technologies laser dans les années 1960 et 1970, il semble clair que nous ne pouvons pas envisager maintenant les nombreux nouveaux développements dans les lasers et leurs applications au cours du prochain siècle. Notre nouvelle source de lumière laser nous touchera tous, à la fois dans nos vies ordinaires et dans le monde de la science.