Le Lycée Montaigne, l’Aquitaine et la mutation historique des technologies optiques

1. 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

2. 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 Aquitaine : une extraordinaire opportunité économique et scientifique pour la Région

3. Plan de l’exposé • Le 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 optique fort en Aquitaine

4. 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») photon émission manipulation transmission détection

5. 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 : 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)

6. 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 lumière : les fibres optiques : Kao (1966) Bell Labs

7. Le LaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation un oscillateur du domaine optique L’invention en 1958 : Townes-Schawlow, Basov-ProkhorovLes 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 Une rupture technologique majeure pour la Physique

8. Énergie Faisceaude sortie E1 E2 > E1 Amplificateur Ensemble de 2 miroirs résonateur linéaire Laser linéaire Amplificateur + résonateur linéaire

9. Fonctionnement multimode du laser • Modes résonnants de la cavité (ou résonateur) • Milieu amplificateur • Laser

10. E2 E1 Les processus interaction onde-matière hν photonsjumeaux Absorption E2-E1 = hν Émissionspontanée Émissionstimulée(Einstein) Milieux amplificateurs E2 N2 E2 N2 E1 N1 E1 N1 N2>N1 Milieu amplificateur N2<N1 Milieu absorbant

11. 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 réfléchissantesD’autres précurseurs sur ces franges : Herrschel, Airyle passage d’interférences à deux ondes à des interférences multi-ondesL’exploitation par Fabry et l’interféromètre Fabry-Perot

12. L’énorme champ d’applications de l’interféromètre en métrologie, spectroscopieUne extension proposée par Pierre Connes : le Fabry-Perot sphériqueUne utilisation non prévue : le stockage d’énergie entre les miroirs  la cavité optique de laserCharles Fabry premier Directeur Général de l’Institut d’Optique (1921-1941)

13. Alfred Kastler et le pompage optique 1902-1984Prix 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-Ferrand 1938-1941 : Professeur Université de Bordeaux

14. 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 Nobel 1995 La conservation du moment cinétique dans l’interaction onde-atomes : les méthodes de double résonance optique-hyperfréquence et de pompage optique

15. Pompage optique et transfert de moment cinétique +1/2 E2 -1/2 Relaxation +1/2 -1/2 E1 Inversion de population dans la structure du niveau 1

16. 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 ?

17. 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$ croissance 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 d’ingénieurs et de techniciens en optique

18. Développement de l’optique dans le monde L’optique : un secteur économique en pleine expansion

19. Grands domaines d’application de l’optique Technologies de l’Information & Communication Internet Disques Santé & sciences de la vie Imagerie médicale Tests biologiques Aéronautique spatial & défense Télé- détection Guidage Optique pour la production industrielle Vision industrielle Métrologie Usinages laser

20. Exemple 1 : les télécoms optiques... Liaison «multicolore» (information multiplexée en l) débit d’information par fibreéquivalent à + de 50 millions de conversation téléphoniques simultanées soit + de 100 canaux à 10 Gb/sÛ 1 Tb/s sur + de 1000 km

21. Exemple 1 : ...les télécoms optiques • Composants et fonctions optiques : • diodes laser, modulateurs, filtres optiques (mux/demux), routeurs en l, fibres, amplificateurs optiques, régénérateurs, détecteurs… De la «puce» optique … au composant industriel fibré

22. 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 Applications (CELIA)

23. Le programme Laser MégaJoule au CESTA/CEA 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 + une piste importante pour les sources d’énergie du futur La création en cours d’un Institut Laser Plasma national L’Aquitaine : un pôle optique important

24. Schéma d ’une cible d’attaque indirecte

25. Conclusion • L’optique : le démarrage d ’un extraordinaire développement • L’optique : une grande ouverture sur les autres disciplines • technologiques • fondamentales • Un domaine de choix pour les jeunes entrepreneurs • Des débouchés d’une grande diversité dans l’industrie et la recherche