Le Lycée Montaigne,l’Aquitaine et la mutation historique
des technologies optiques
Professeur André Ducasse
Directeur Général de l’Institut d’Optique
Directeur de l’École Supérieure d’Optique
Une mutation technologique en marche
• La découverte des lasers et la révolution optique
• Des précurseurs de cette découverte : Charles Fabry, Alfred Kastler et le Lycée Montaigne
• L’Université Bordeaux I : un Centre important de développement des lasers et de leurs applications
• Le programme Laser MégaJoule au CEA/DAM en Le programme Laser MégaJoule au CEA/DAM en Aquitaine : une extraordinaire opportunité Aquitaine : une extraordinaire opportunité économique et scientifique pour la Régionéconomique et scientifique pour la Région
Plan de l’exposé
• Le laser dans l’histoire des technologies optiquesLe laser dans l’histoire des technologies optiques
• Charles Fabry : un précurseur pour les cavités optiques lasers
• Alfred Kastler : un précurseur pour les milieux amplificateurs lasers
• L’explosion du champ d’applications des technologies lasers
• Les opportunités pour le développement d’un pôle Les opportunités pour le développement d’un pôle optique fort en Aquitaineoptique fort en Aquitaine
L’optique, c’est
la science et l’ingénierie de l’émission, la manipulation, la transmission et la détection de
lumière, donc de photons («photonique»)
émission
manipulationtransmission
détection
photon
L’évolution des technologies optiques
• Une utilisation très ancienne de « composants » optiques : les miroirs d’Archimède (212 av. J.C.)
• Le 17ème siècle : un âge d’or pour les technologies
• la découverte des microscopes optiques : la découverte des microscopes optiques : Loeuvenbrook ou Zacharias Jansen (1590)Loeuvenbrook ou Zacharias Jansen (1590)
• la lunette de Galilée et l’observation des planètes (1609)
• les débuts de la spectroscopie : la décomposition des couleurs par un prisme : Newton (1666)
• La spectroscopie et la découverte du monde microscopique : fin 19ème-début 20ème s.
– Spectroscopie et structure atomique : Balmer, Rutherford, Bohr
– Le développement d’interféromètres performants : Michelson, Fabry
• Une révolution en optique : la découverte des lasers (1958) : Townes-Schawlow, Basov-Prokhorov
• Un vecteur essentiel pour le transport de la Un vecteur essentiel pour le transport de la lumière : les fibres optiques : Kao (1966) Bell Labslumière : les fibres optiques : Kao (1966) Bell Labs
Le LaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation
L’invention en 1958 : Townes-Schawlow, Basov-ProkhorovLes premiers lasers : 1960 Maiman, JavanLes premiers lasers : 1960 Maiman, Javan1980 : l’extension des applications hors laboratoires le développement du transport par fibre optique1990 : la prise de conscience d’un véritable phénomène de société
un oscillateur du domaine optique
Une rupture technologique majeure pour la Physique
Énergie
Amplificateur
E1 E2 > E1Faisceaude sortie
Ensemble de 2 miroirs résonateur linéaireLaser linéaire
Amplificateur + résonateur linéaire
Fonctionnement multimode du laser• Modes résonnants de la cavité (ou résonateur)
• Milieu amplificateur
• Laser
Les processus interaction onde-matière
E1
E2
hν
AbsorptionE2-E1 = hν
Émissionspontanée
Émissionstimulée(Einstein)
photonsjumeaux
Milieux amplificateurs
E1
E2
N1
N2
N2>N1
Milieu amplificateur
E1
E2
N1
N2
N2<N1
Milieu absorbant
Charles Fabry (1867-1945) et les cavités optiques
L’interaction de Charles Fabry avec Raymond Boulouch
au Lycée Montaigne à Bordeaux ( quelques mois en
1892) : les franges fines d’un coin d’air entre lames
réfléchissantes
D’autres précurseurs sur ces franges : Herrschel, AiryD’autres précurseurs sur ces franges : Herrschel, Airy
le passage d’interférences à deux ondes à des le passage d’interférences à deux ondes à des
interférences multi-ondesinterférences multi-ondes
L’exploitation par Fabry et l’interféromètre Fabry-Perot
L’énorme champ d’applications de l’interféromètre en métrologie, spectroscopie
Une extension proposée par Pierre Connes : le Fabry-Perot sphérique
Une utilisation non prévue : le stockage d’énergie entre les miroirs la cavité optique de laser
Charles Fabry premier Directeur Général de Charles Fabry premier Directeur Général de l’Institut d’Optique (1921-1941)l’Institut d’Optique (1921-1941)
Alfred Kastler et le pompage optique 1902-1984
Prix Nobel 1966
1926-1931 : professeur lycée Mulhouse, Colmar, Montaigne à Bordeaux
1931-1936 : assistant de Pierre Daure, Université de Bordeauxpréparation de la thèse (polarisation de la lumière de fluorescence ..)
1936-1938 : Maître de Conférences à Clermont-1936-1938 : Maître de Conférences à Clermont-FerrandFerrand
1938-1941 : Professeur Université de Bordeaux
Appelé par Georges Bruhat à l’Ecole Normale Supérieure
Création avec Jean Brossel du Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne (actuellement laboratoire Kastler-Brossel)
Naissance d’une véritable école : interaction onde-atomes
Un des élèves : Claude Cohen-Tannoudji, Prix Un des élèves : Claude Cohen-Tannoudji, Prix Nobel 1995Nobel 1995
La conservation du moment cinétique dans l’interaction onde-atomes : les méthodes de double résonance optique-hyperfréquence et de pompage optique
Pompage optique et transfert de moment cinétique
E1
E2
-1/2
-1/2
+1/2
+1/2
Relaxation
Inversion de population dans la structure du niveau 1
Les nouvelles technologies de l’Optique dans le contexte économique du 21ème siècle
• Les besoins d’une nouvelle société des Sciences et Techniques de l’Informationet de la Communication
• Les solutions optiques au secours des limitations actuelles– L’explosion des télécommunications optiques– Le développement d’une bio-photonique– Des densités de puissance et d’énergie considérables
avec les lasers femtosecondes : de nouvelles applications médicales et en mécanique des lasers
• L’Optique : un moyen de motiver nos jeunes générations pour les sciences ?
Les enjeux économiques de l’Optique
• Un marché mondial en pleine expansion– Composants électroniques : 130 G$ décroissance de 8%
par an– Composants optiques et électro-optiques : 30 G$ Composants optiques et électro-optiques : 30 G$
croissance de 10% par ancroissance de 10% par an
• Des domaines en pleine ébullition• Loi de Moore de l’électronique des années 60
dépassée en télécommunications optiques :– Doublement de capacité nécessaire
tous les ans– Des start-up avec des croissances extraordinaires
• Un verrou prévisible : les moyens humains disponibles– La nécessité de former un beaucoup plus grand nombre La nécessité de former un beaucoup plus grand nombre
d’ingénieurs et de techniciens en optiqued’ingénieurs et de techniciens en optique
Développement de l’optique dans le monde
Exemple : ventes mondiales optoélectronique
0
20
40
60
80
100
1992 1997 2001
milli
ards
d'e
uros
G
€
écrans plats
disques optiquesfibres optiques
sources détecteursémetteurs
divers
L’optique :un secteur économique en pleine expansion
Grands domaines d’application de l’optique
Disques Internet
Imageriemédicale
Testsbiologiques
GuidageTélé-
détection
VisionindustrielleMétrologie
Technologies de l’Information
& Communication
Santé &sciences de la vie
Aéronautiquespatial & défense
Optique pour laproduction industrielle
Usinageslaser
Exemple 1 : les télécoms optiques...
Liaison
«multicolore»
(information
multiplexée en
)
débit d’information par fibre équivalent à
+ de 50 millions de conversation
téléphoniques simultanées
soit + de 100 canaux à 10 Gb/s 1 Tb/s sur + de 1000
km
AM
AM
AM
AM
AM
AM
AM
AM
MU
LTIP
LEX
EU
R
DE
MU
LTIP
LEX
EU
R
LASERS MODULATEURS
DONNEES
x100 km fibre
amplis optiques
G G
MODULES DERECEPTION
DONNEES
Exemple 1 : ...les télécoms optiques
Composants et fonctions optiques :diodes laser, modulateurs, filtres optiques (mux/demux), routeurs en , fibres, amplificateurs optiques, régénérateurs, détecteurs…
De la «puce» optique…au composant industriel fibré
L’Aquitaine et la mutation optiqueL’optique à l’Université Bordeaux I
Le développement d’une “ optique moléculaire ” (Auguste Rousset)
La création d’un pôle laser dans le Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne (CPMOH)
La création d’un CEntre Laser Intense et La création d’un CEntre Laser Intense et Applications (CELIA)Applications (CELIA)
240 impulsions ns d’environ 8 kJ pour exciter une bille de l’ordre du 1/10 mm contenant D+T
La Ligne d’Intégration Laser : 1/30 du LMJ, opérationnelle 2002-2003
Mise en œuvre complète du LMJ : vers 2010
Objectif : remplacement des essais nucléaires Objectif : remplacement des essais nucléaires + une + une piste importante pour les sources d’énergie du futurpiste importante pour les sources d’énergie du futur
La création en cours d’un Institut Laser Plasma national
L’Aquitaine : un pôle optique important
Le programme Laser MégaJoule au CESTA/CEA
Schéma d ’une cible d’attaque indirecte
• L’optique : le démarrage d ’un extraordinaire développement
• L’optique : une grande ouverture sur les autres disciplines
– technologiquestechnologiques
– fondamentalesfondamentales
• Un domaine de choix pour les jeunes entrepreneurs
• Des débouchés d’une grande diversité dans l’industrie et la recherche
Conclusion