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RÉSUMÉ
Les faisceaux gaussiens issus principalement des sources lasers sont utilisés dans un très grand nombre d’applications (mesure, découpage, pointage, analyse, éclairage…) pour des domaines d’activités extrêmement variés (industriel, militaire, médical…). Cet article présente ainsi une approche théorique et expérimentale de ces faisceaux, qui occupent maintenant une très grande place applicative au sein de notre société. Leurs caractéristiques sont tout d’abord étudiées, puis les techniques pour les mesurer sont abordées permettant de les qualifier selon les normes en vigueur. Des illustrations et quelques exemples numériques aident à la compréhension.
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Christophe LABBÉ : Maître de conférences à l’Université de Caen - Normandie Univ, UNICAEN, IUT de Caen, Département Mesures Physiques, Caen, France - Normandie Univ, ENSICAEN, UNICAEN, CEA, CNRS, CIMAP, Caen, France
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Benoît PLANCOULAINE : Maître de conférences à l’Université de Caen - Normandie Univ, UNICAEN, IUT de Caen, Département Mesures Physiques, Caen, France - Normandie Univ, UNICAEN, INSERM, ANTICIPE, Caen, France - Faculty of Medecine, Vilnius University, Vilnius, Lituanie
INTRODUCTION
Étant donné la place grandissante qu’occupent les faisceaux gaussiens dans un grand nombre de secteurs applicatifs, leur étude nécessite une attention toute particulière. Ainsi, dans cet article, sont présentés, non seulement les aspects théoriques du mode gaussien fondamental, mais également les techniques de mesures pour caractériser la qualité des faisceaux gaussiens.
Une première partie établit très progressivement les caractéristiques de ces faisceaux en prenant soin de bien séparer l’atténuation gaussienne et l’évolution des surfaces d’onde avec la propagation. Trop souvent, ces deux aspects sont entremêlés donnant un aspect mathématique plutôt que physique. Puis, l’influence des caractéristiques les unes sur les autres est étudiée au moyen des notions d’intensité et de puissance lumineuse, en particulier. Finalement, les critères d’analyse et le coefficient de qualité des faisceaux sont définis pour clore cette première partie.
Une seconde partie exploitant les résultats trouvés dans la précédente est dédiée à l’expérimentation et à la mesure sur les faisceaux gaussiens. Les techniques couramment utilisées en laboratoire et celles les plus récentes, plus informatisées, sont explorées de façon à donner un large éventail au lecteur. Les normes qualifiant la qualité et les procédures de mesures des faisceaux gaussiens sont également introduites.
Plusieurs illustrations et exemples numériques permettent une meilleure compréhension. Un glossaire et un tableau des symboles utilisés sont présentés en fin d’article.
L’article [E 4 043] est proposé à la suite avec une première partie consacrée à l’optique adaptée aux faisceaux gaussiens dans le cadre paraxial et faisant appel à l’optique matricielle. Puis une seconde partie applicative décrit des cavités résonantes linéaires stables couramment utilisées et quelques applications des faisceaux gaussiens.
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3. Conclusion
Cet article est centré sur la caractérisation et la mesure des faisceaux gaussiens. Une première partie, plus théorique, présente une résolution mathématique originale basée sur les équations transport et eikonale, qui permet d’accéder naturellement à la propagation et aux paramètres caractérisant les faisceaux (demi-largeur, waist, demi-angle de divergence, longueur de Rayleigh, facteur de qualité…). Une seconde partie, plus expérimentale, porte une attention particulière aux mesures de ces paramètres.
Dans cette analyse, la propagation de ces faisceaux est réalisée en espace libre. En pratique, les dimensions des faisceaux gaussiens sont très souvent modifiées à l’aide de systèmes optiques (lentille, miroir…) ce qui impacte leurs caractéristiques. De même, la production de tels faisceaux s’effectue à l’intérieur d’une cavité laser, système le plus connu. Un deuxième article propose de répondre à ces questions, tout en donnant quelques applications basées sur ce type de faisceau.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BORN (M.), WOLF (E.) - Principle of Optics. - Book, 6th edition, Pergamon Press, Inc. (1980).
-
(2) - FORGET (S.) - Optique des lasers et faisceaux gaussiens. - Laboratoire de Physique des lasers, Université Paris Nord/13.
-
(3) - DIENEROWITZ (M.) - Gaussian Beams, Single-Molecule Microscopy Group. - University of Jena.
-
(4) - EGORCHENKOV (R.A.), KRAVTSOV (Y.A.) - Complex ray-tracing algorithms with application to optical problems. - Journal of the Optical Society of America A, 18(3) : p. 650-656 (2001).
-
(5) - BERCZYNSKI (P.), BLIOKH (K.Y.), KRAVTSOV (Y.A.), STATECZNY (A.) - Diffraction of a Gaussian beam in a three-dimensional smoothly inhomogeneous medium : an eikonal-based. - Journal of the Optical Society of America A, 23(6) : p. 1442, 1451 (2006).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Lasers et équipements associés aux lasers – Méthodes d'essai des largeurs du faisceau, angles de divergence et facteurs de limite de diffraction, Partie 1 : Faisceaux stigmatiques et astigmatiques simples. - NF EN ISO 11146-1 - (2005)
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