Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme NF EN 60825-1 (C43-805) du 10/10/2014 citée dans cet article a été modifiée par la norme NF EN 60825-1/A11 de juin 2021 : Sécurité des appareils à laser - Partie 1: Classification des matériels et exigences
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2105 (Mai 2021).
RÉSUMÉ
Cet article traite des différentes méthodes de mesure de la puissance d’un laser en se focalisant largement sur les nouvelles techniques utilisant la pression de radiation. Ces dernières répondent à de nombreux enjeux industriels et besoins métrologiques. Ainsi, il est possible de mesurer in situ une puissance laser sans interrompre son utilisation dans une large étendue de longueur d’onde allant des rayonnements ultraviolets aux rayonnements infrarouges, avec une traçabilité aux unités du SI des grandeurs mécaniques telles que longueur et masse.
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This article deals with the different methods for measuring laser power, focusing largely on new techniques using radiation pressure. These meet many industrial challenges and metrological needs. Thus, it is possible to measure in situ a laser power without interrupting its use over a wide range of wavelengths from ultraviolet radiation to infrared radiation with traceability to SI units of mechanical quantities such as length and mass.
Auteur(s)
-
Patrick PINOT : Docteur en systèmes physiques et métrologie du Conservatoire national des arts et métiers (Cnam), expert indépendant en métrologie, consultant LNE - Ancien directeur adjoint du Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam (EA 2367), La Plaine Saint-Denis, France
-
Zaccaria SILVESTRI : Docteur en lasers, métrologie et communications du Cnam, Ingénieur de recherche, chef de projet au département « masse et grandeurs dérivées » - Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, La Plaine Saint-Denis, France
-
Alain VISSIERE : Docteur en sciences physiques, ingénieur des Arts et Métiers, Ingénieur de recherche au Cnam - Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam, La Plaine Saint-Denis, France
INTRODUCTION
Le présent article a pour objectif de présenter les différentes techniques de mesure de la puissance d’un laser et, plus spécifiquement, les nouvelles techniques basées sur la pression de radiation pour une étendue de mesure allant de quelques milliwatts jusqu’à une dizaine de kilowatts. Ces nouvelles techniques répondent à de nombreux enjeux industriels et besoins métrologiques, par exemple une mesure in situ d’une puissance laser. Cette mesure peut s’effectuer sans interrompre l’utilisation du laser dans une large étendue de longueurs d’onde, des rayonnements ultraviolets aux rayonnements infrarouges. La mesure de puissance via la pression de radiation est traçable aux unités du SI (système international des unités) des grandeurs mécaniques telles que longueur et masse.
Après quelques rappels de définitions sur les grandeurs radiométriques et les principales caractéristiques d’un laser, l’article présente les principaux détecteurs (thermiques et quantiques) utilisés pour la mesure de la puissance d’un laser. Cela permet de mieux appréhender les besoins industriels, médicaux ou métrologiques actuels nécessitant le développement de nouveaux détecteurs avec des principes totalement différents. Se plaçant d’un point de vue métrologique, l’article s’attarde à décrire la traçabilité métrologique des détecteurs en présentant, par exemple, le radiomètre cryogénique à substitution électrique, référence radiométrique de nombreux laboratoires nationaux de métrologie.
L’utilisation de la pression de radiation à des fins métrologiques est le principal aspect qui est développé ici. En effet, à l’aide d’un simple miroir associé à un capteur de faible force, il est possible de mesurer, entre autres, la puissance d’un laser. Les nombreux développements dans les laboratoires nationaux de métrologie basés sur ce principe ouvrent de grandes perspectives pour la réalisation d’étalons primaires de puissance laser. Outre un aspect complémentaire aux méthodes dites « conventionnelles », les avantages et limites de la mesure de puissance d’un laser par la pression de radiation sont présentés.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
Metrology | Radiation pressure | laser power
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Traçabilité métrologique des détecteurs
En anglais
1. Besoins métrologiques
1.1 Rayonnement électromagnétique et rayonnement laser
La lumière a une nature ondulatoire ou corpusculaire selon la façon dont on observe son interaction avec la matière. C’est ce que l’on appelle la dualité onde-particule. Le laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, est d’abord une source de rayonnement électromagnétique, mais avec des spécificités qui sont précisées plus loin.
La dualité onde-particule se caractérise par la nature ondulatoire et corpusculaire de la lumière. La théorie ondulatoire de la lumière a été proposée par Christian Huygens au XVIIe siècle, puis développée par Augustin Fresnel vers 1820 et formalisée par les lois de l’électromagnétisme de James Clerk Maxwell en 1864 .
En 1900, Max Planck, pour expliquer la « catastrophe ultraviolette », propose une loi empirique (E = hν) qui relie l’énergie E émise ou absorbée à la fréquence ν d’oscillation de la lumière. Puis en 1905, Albert Einstein, pour expliquer l’effet photoélectrique, propose que la lumière soit constituée de particules, les photons, qui possèdent une quantité de mouvement. Enfin, Louis de Broglie en 1924 montre la nature ondulatoire des photons.
Dans un dispositif laser, le faisceau laser est généré au sein d’une cavité optique dans laquelle il parcourt des allers-retours généralement entre deux surfaces réfléchissantes. Le milieu dans la cavité peut être gazeux, solide, plasma, ou même constitué d’électrons libres qui se trouvent en « inversion de population » dans ce milieu l’onde émise se retrouve amplifiée. En l’absence de cavité optique, le milieu atomique porté dans un niveau excité peut émettre un rayonnement lumineux spontané de type fluorescence. La présence d’une cavité optique va favoriser une direction en renvoyant l’onde dans le milieu. L’émission passe de la simple fluorescence...
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Besoins métrologiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MAXWELL (J.C.) - VIII. A dynamical theory of the electromagnetic field. - Philos. Trans. R. Soc. Lond., vol. 155, p. 459-512, janv. 1865, doi: 10.1098/rstl.1865.0008.
-
(2) - SUBRAN (C.), SAGAUT (J.), LAPOINTE (S.) - Lasers : principes, applications et mesures énergétiques. - p. 18 (2009).
-
(3) - DESVIGNES (F.) - Radiométrie. Photométrie. - Tech. Ing., p. 24 (1992).
-
(4) - Termlist | eilv - Vocabulaire – Commission Internationale de l’Eclairage. - https://cie.co.at/.
-
(5) - CIE. – CIE Publication 17.4: International Lighting Vocabulary - Vocabulaire international de l’éclairage. - (1987). http://itu.tind.io/.
-
(6) - ROUGIÉ (B.), COUTIN (J.-M.) - Références...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Sécurité des appareils à laser – Partie 1 : classification des matériels et exigences. - NF EN 60825-1 - 2014
-
Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d’étalonnages et d’essais. - NF EN ISO/IEC 17025 - 2017
ANNEXES
Organismes – Associations – Fédérations
BIPM : https://www.bipm.org
Commission internationale de l’éclairage : https://cie.co.at/
Cofrac : https://www.cofrac.fr/
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