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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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1. Faisceaux gaussiens
1.1 Rayons et faisceaux lumineux
Cette première section introduit tout d’abord la notion de rayons adaptée aux signaux lumineux de hautes fréquences. Puis, en respectant les équations de leur tracé, les rayons sont assemblés au moyen de dispositifs optiques pour façonner les faisceaux lumineux.
HAUT DE PAGE1.1.1 Tracé de rayons lumineux
Les ondes lumineuses se modélisent selon les lois de l’électrodynamique et leur propagation s’explique à l’aide des équations de Maxwell [E 4 152]. Plus particulièrement, le champ électrique
est choisi pour résoudre ces équations puisque les capteurs de mesure optique sont sensibles au carré de son module. La nature vibratoire de la lumière facilite une approche harmonique en utilisant la représentation fréquentielle donnée par :
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BIBLIOGRAPHIE
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(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.
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(3) - DIENEROWITZ (M.) - Gaussian Beams, Single-Molecule Microscopy Group. - University of Jena.
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(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).
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(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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