Mode de fonctionnement d’un laser
Un milieu actif : C’est un milieu qui possède une structure appropriée des niveaux d’énergie discrets s’excitant facilement et possédant la capacité de stocker l’énergie reçue de l’extérieur. Une émission laser se fait à une longueur d’onde bien déterminée avec deux états d’énergie différents. Dans une transition où le système présente une émission spontanée correspondant à une durée de vie relativement longue du niveau supérieur qui est un état métastable. Les raies ne sont jamais monochromatiques dans les spectres discrets d’émission ou d’absorption. La raie utilisée dans un laser possède une certaine largeur spectrale déterminée par différents mécanismes atomiques d’élargissement et mesurant la dispersion en fréquence autour de la fréquence centrale . Cette dernière illustre les phénomènes physiques des transitions radioactives entre deux niveaux d’énergies différentes E1 et E2 tel que E1 < E2. Tout d’abord si on applique un champ électromagnétique dans le milieu atomique et que les photons de fréquence sont présents, l’atome peut en absorber un et se trouve ainsi porté de l’état d’énergie E1 à l’état d’énergie supérieur E2. Et il y a dispersion du quantum du photon du champ au profit du système atomique c’est le processus d’absorption.
Ensuite dans ce processus l’atome effectue spontanément une transition d’un état excité E2 vers un état de moindre d’énergie E1 en émettant un quantum d’énergie h=E2-E1.
L’émission spontanée a la propriété d’être isotrope, l’instant d’émission étant aléatoire. C’est ainsi on définit le phénomène de fluorescence qui est un étalement dans le temps de l’émission collective de nombreux atomes qui se trouvent simultanément dans un même état excité. Le temps de désexcitation qui caractérise les atomes, est appelé la durée moyenne de l’état excité au sens statistique du terme. Lorsque ce temps est long à l’échelle atomique, on dit que le niveau supérieur est métastable c’est l’émission spontanée .
Réaction optique-résonateur laser
Pour obtenir un effet laser efficace, on place le milieu optiquement actif c’est à dire les atomes qui subissent l’inversion de population et l’émission, dans une cavité entre deux miroirs disposés face à face. Ainsi l’émission induite devient de plus en plus importante car chaque photon fait plus allers et retours dans la cavité. Donc il est nécessaire de réaliser une ouverture pour qu’une partie de rayonnement s’échappe de la cavité : c’est le rayon laser. Et pour cela il faut au moins que l’un des deux miroirs soit partiellement réfléchissant. En effet la longueur d’onde des ondes lumineuses allantes et venantes dans la cavité qui donne naissance à l’effet laser doit être un diviseur entier de la longueur de la cavité. Sinon il se produirait des interférences destructives entre les ondes qui se propagent dans un sens et celle de l’autre. Donc pour obtenir la longueur d’onde désirée on peut jouer sur la longueur de la cavité . Dans ce processus les atomes émettent spontanément un photon chacun. De l’énergie est envoyée dans la Cavité, et les atomes du gaz sont excités par pompage optique. Ainsi, le photon émis va rencontrer un autre atome qui va l’absorber, et émettre à son tour deux photons dans la même direction de façon stimulée. Cela continuera jusqu’à la paroi où il y aura plus d’atome de gaz. Si un atome émet dans la bonne direction, alors les photons continueront jusqu’à rencontrer un miroir où ils seront réfléchis et ils repartiront dans l’autre sens jusqu’à l’autre miroir. Et enfin, une partie de la lumière sort lorsqu’elle rencontre le miroir partiellement réfléchissant. C’est cette partie de la lumière qui formera le rayon laser.
Les différents types de lasers
On classera d’abord ces lasers en quatre familles essentiellement distinguées par la nature de leurs milieux actifs.
Les lasers à isolants dopés : dans lesquels le rayonnement en provenance d’une lampe flash ou d’une lampe à arc excité optiquement l’émission d’atome induite sous forme d’ions métalliques et de terres rares dans une matrice solide isolante en cristal ou en verre. La conception de ces différents types de lasers est très semblable et même parfois identique d’un type de laser à l’autre. Les lasers à gaz : qui constituent la majeur partie de l’industrie laser et fonctionne sur une excitation, généralement de nature électronique mais parfois aussi de nature chimique de milieu gazeux atomiques neutres, ionisés moléculaires. Ces lasers peuvent fonctionner en mode continue ou impulsionnels avec deux régimes gazeux en flux ou en régime scelle.
Les lasers à semi-conducteurs : dans lesquels le rayonnement est émis au sein d’une jonction p-n dans une diode de type semi-conducteurs. La longueur d’onde dépend de la composition de ce matériau, les caractéristiques de fonctionnement sont liées à la composition aussi à la structure du dispositif.
Les lasers à colorants : qui opèrent tous avec le même type de milieu actif, un colorant organique dilué dans un solvant liquide. Leurs énergies de rayonnement proviennent d’autre sources optiques (lampe flashe ou un autre laser) et leurs caractéristiques dépendent de la source de pompage.
Mode de fonctionnement d’un système lidar
Le lidar fonctionne sur le principe de la diffusion de la lumière, et en particulier celle du faisceau laser qu’il propage dans l’atmosphère. Les particules présentes sur le trajet du faisceau vont absorber et réémettre la lumière dans toutes les directions de l’espace .
Ce phénomène est appelé diffusion de la lumière et dépend des caractéristiques des particules rencontrées (taille, forme, nature et concentration). L’analyse de la lumière recueillie dans le télescope à une altitude va permettre d’obtenir des informations sur les particules présentes à cette altitude. On remarque que plus les particules sont fines plus la diffusion est isotrope c’est-à-dire identique dans toutes les directions de l’espace .
Principaux types de Lidar
Suivant les coefficients de rétrodiffusion, d’absorption et la cohérence temporelle des sources laser, on peut diviser les lidars en trois catégories : il y a lidar rétrodiffusé, lidar DIAL et lidar cohérent. Dans le cas du Lidar rétrodiffusé, le facteur le plus important est le coefficient de rétrodiffusion qui contient des informations sur la densité des éléments diffusants.
Ainsi, le lidar Mie qui est une version très répandue utilise une source laser Nd : YAG émettant à 1.064 µm permet de localiser et de mesurer la concentration des couches nuageuses ou de particules dispersées dans l’atmosphère (panaches de fumées, éruptions, volcaniques, etc). les versions les plus élaborées ont aussi été développées comme le lidar Rayleigh pour mesurer la densité de l’atmosphère stratosphère et permettant un calcul de profil de température. A côté de ces deux lidars, on a le lidar Raman pour la mesure de la concentration d’un gaz particulier caractérisé par un décalage spectral donne entre émission et réception.
Et pour le Lidar à absorption différentielle (DIAL), on utilise au moins deux longueurs d’ondes émises par la source laser : l’une située dans une bande d’absorption (λa) et l’autre non absorbée servant de référence (λ0) et le facteur le plus important est le coefficient d’absorption atmosphérique α. Ce coefficient varie avec la longueur d’onde selon les propriétés spectrales d’absorption de la substance chimique à détecter, sous forme d’aérosol ou de vapeur. La concentration de la substance chimique dans la zone sondée par le faisceau laser est donnée par la comparaison des signaux rétrodiffusés à une distance «z» pour chacune des deux longueurs d’ondes. La méthode DIAL (Differential Absorption Lidar) est désormais largement exploitée pour la mesure de constituants à l’état de traces dans l’atmosphère et qui sont d’un grand intérêt pour l’environnement. C’est le cas des lidars DIAL pour le sondage de O3 ou SO2, qui utilisent des lasers émettant dans l’UV. Ce type de lidar est devenu un instrument de mesure de l’atmosphère troposphérique et stratosphérique essentiel pour l’étude et le contrôle systématique de l’environnement. Il fournit la localisation spatiale des constituants, la mesure de leur concentration et un suivi à long terme des variations de ces grandeurs.
Comme son nom l’indique Lidar cohérent ou Lidar vent est un lidar qui fait appel à la cohérence temporelle des sources laser (contrairement aux lidars incohérents décrits précédemment). Dans ce cas, on utilise une source laser monomode et stabilisée en fréquence. Le signal détecté est fourni par un interféromètre qui effectue le mélange cohérent entre l’amplitude du faisceau rétrodiffusé à distance et une petite fraction du faisceau laser émis. Cette technique, analogue à certain technique radar, est sensible au déplacement de fréquence par l’effet Doppler lié au mouvement des particules diffusantes : on obtient ainsi un instrument de mesure du vent ou un anémomètre.
Dans ce cas, on utilise le plus souvent des lasers CO2 émettant vers 10 µm qui procurent la stabilité de fréquence et la puissance nécessaire dans un domaine de transparence atmosphérique infrarouge.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Mode de fonctionnement d’un laser
I.1 Introduction
I.2 Mode de fonctionnement d’un laser
I.2.1 Un milieu actif
I.2.2 Pompage: création d’une inversion de population
I.2.2.1 Création d’une inversion de population
I.2.2.2 Réalisation du pompage
I.2.2.3 Méthode de pompage
I.2.3 Réaction optique-résonateur laser
I.3 Conclusion
Chapitre II : Les différents types de laser et leurs domaines d’applications
II.1 Introduction
II.2 Les différents types de lasers
II.2.1 Les lasers à isolants dopés
II.2.1.1 Les lasers à rubis
II.2.1.2 Les lasers Nd : YAG
II.2.1.3 Les lasers à verre dopé au néodyme
II.2.1.4 Les Applications du laser à isolants dopés
II.2.1.4.1 Applications médicales : les lasers Nd : YAG
II.2.1.4.2 Applications en télémétrie
II.2.1.4.3 Soudage par points
II.2.1.4.4 Perçage
II.2.2 Les lasers à Gaz : laser CO2
II.2.2.1 Processus physique
II.2.2.2 Applications du laser CO2
II.2.3 Les laser à colorants
II.2.3.1 Le pompage par lampes flash
II.2.3.2 Le pompage par laser
II.2.3.3 Applications des lasers à colorants
II.2.3.3.1 Séparation isotopique
II.2.3.3.2 Spectro-fluorometrie moléculaire
II.2.4 Les lasers à semi-conducteurs
II.2.4.1 Laser à homojonction
II.2.4.2 Laser à hétérojonction
II.2.4.3 Applications des lasers à semi-conducteurs
II.3 Conclusion
Chapitre 3 : Télédétection active par laser appliquée à l’environnement : Cas des deux lidars
du Sénégal
III.1 Introduction et Définition
III.2 Mode de fonctionnement d’un système lidar
III.2.1 Principe de détection des polluants atmosphériques par le lidar
III.2.2 Equation Lidar
III.3 Interaction entre le rayonnement laser et les constituants de l’atmosphère
III.4 Principaux types de lidar
III.5 Applications: Les deux lidars installés aux Sénégal
III.5.1 Le lidar de cimel 532 nm de Mbour
III.5.1.1 Présentation
III.5.1.2 Résultats et discussion
III.5.2 Le lidar ceilomètre Cl 31 de Dakar
III.5.2.1 Présentation
III.5.2.2 Résultats et discussion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie
