Dossier Laser

Toujours plus bref, toujours plus puissant

Dès son invention, la technologie du laser a connu des progrès fulgurants. En cinquante ans, il a donné naissance à des appareils aux propriétés extrêmes et aux noms aussi exotiques que laser attoseconde, mégajoule ou encore exawatt. Entretien avec Jean-Pierre Wolf, professeur au Groupe de physique appliquée

Jean-Pierre Wolf: Dans son édition du 8 juillet 1960, le lendemain de la présentation du premier laser à la presse, le New York Times évoque déjà la possibilité d’illuminer la surface de la Lune, de vaporiser certains matériaux qui se trouvent sur son passage, d’étudier la structure intime de la matière grâce à sa couleur très pure ou encore de l’utiliser comme moyen de communication de très haute fidélité. C’est déjà beaucoup, mais reste très loin de ce qui a pu être réalisé depuis: disques compacts, télécommunication via les fibres optiques, spectroscopie, applications médicales et industrielles innombrables, etc. Cela dit, l’avenir le plus largement prédit dans la presse généraliste est celui de «rayon de la mort». Quel que soit le sens de cette expression pour les journalistes.

Théodore Maiman a créé la surprise en fabriquant le premier laser avec un cristal de rubis alors que tous ses concurrents pensaient qu’il était plus facile d’y parvenir avec du gaz. Peut-on produire de l’émission stimulée dans n’importe quel milieu?

Presque. Et d’ailleurs les progrès dans ce domaine ont été fulgurants. Dès que les chercheurs ont compris comment fabriquer un laser, il leur a fallu moins de dix ans pour en développer à partir de n’importe quel état de la matière: des cristaux, des gaz, des liquides (avec colorants), des semi-conducteurs… Au point qu’aujourd’hui, pour s’amuser, les scientifiques ont fabriqué des lasers mangeables (une espèce de gelée contenant des colorants) ou potables (un mélange d’alcool). Il existe aussi des lasers naturels observés dans des nuages interstellaires ou dans les atmosphères de Vénus et Mars.

Chaque laser se caractérise par sa couleur très pure, qui se réduit quasiment à une seule longueur d’onde. Est-ce que cela signifie que l’on ne peut pas choisir n’importe quelle couleur?

Dans les premières années, en effet, les lasers n’émettaient qu’à une longueur d’onde fixe. Cette dernière se situait le plus souvent dans le rouge ou l’infrarouge, plus rarement dans le vert ou le bleu. Cette contrainte limitait alors beaucoup le champ d’application.

Pourquoi?

Disposer d’un laser à une seule longueur d’onde est très pratique si l’on veut percer des trous dans différents matériaux, opérer des yeux ou encore lire des disques compacts. Mais si l’on veut réaliser de la spectroscopie par exemple, ce pourquoi le laser est potentiellement un outil très performant, il est nécessaire de pouvoir balayer de manière continue une portion entière du spectre électromagnétique. Cela est devenu possible dans les années 1970, grâce à l’invention des lasers accordables. Les premiers d’entre eux ont été fabriqués avec des colorants organiques en solution dans un liquide. Certaines de ces molécules présentent des bandes d’émissions laser relativement larges. A l’aide d’un dispositif optique élémentaire (un prisme rotatif placé dans la cavité résonante), on peut sélectionner la longueur d’onde que l’on souhaite. Puis, dans les années 1990 sont apparus les lasers accordables solides. Le principal d’entre eux est le Titane saphir, qui est encore très largement utilisé aujourd’hui. Ce cristal, dont la structure est très proche du rubis utilisé par Théodore Maiman, possède une bande d’émission laser qui s’étale, en termes de longueur d’onde, entre 1000 et 690 nanomètres, c’est-à-dire de l’infrarouge au rouge vif.

Pourquoi existe-t-il plus de lasers émettant dans le rouge et l’infrarouge que dans les autres couleurs?

La raison pour laquelle il y a tellement de lasers dans le rouge et infrarouge et si peu dans le bleu est la même que celle qui rend plus facile la construction d’un maser (qui émet des micro-ondes) que d’un laser (qui émet de la lumière visible). Physiquement, la probabilité de réaliser un laser chute très vite lorsqu’on cherche à obtenir des longueurs d’onde plus petites. Dans le cas des micro-ondes et de l’infrarouge, cette probabilité est encore suffisamment élevée pour ne pas poser trop de problèmes. Mais dès que l’on arrive dans le vert, le bleu, puis l’ultraviolet, cela commence à devenir très difficile. Mais pas impossible puisque parmi les plus anciens lasers, on trouve celui à Argon, un gaz qui, une fois ionisé (Ar⁺), possède plusieurs raies d’émission, dont l’une dans le vert (à 514 nm) et l’autre dans le bleu (à 488 nm). Le problème est que le rendement d’un tel appareil est catastrophique. Il faut une véritable usine à gaz pour parvenir à émettre quelques malheureux photons. Cela l’éloigne des applications qui demandent un encombrement minimum et une alimentation électrique raisonnable.

Des progrès ont été réalisés puisqu’il existe maintenant des lecteurs de Blu-Ray Disc utilisant des lasers bleu-violet qui ne prennent pas beaucoup de place…

Il s’agit en l’occurrence de diodes laser. Aujourd’hui, on arrive à fabriquer des lasers émettant dans toutes les longueurs d’onde. Les progrès technologiques ont permis de découvrir davantage de milieux actifs capables de rayonner dans les petites longueurs d’onde. On parvient même à concevoir des lasers qui émettent des rayons X, mais cela demande souvent de grandes infrastructures, comme un accélérateur de particules. Les physiciens maîtrisent cependant des méthodes plus élégantes et moins encombrantes pour arriver au même résultat.

C’est-à-dire?

L’idée est d’exploiter les propriétés d’optique non linéaire de certains milieux. Les scientifiques ont commencé par utiliser des cristaux spéciaux connus pour posséder la capacité de doubler la fréquence de la lumière (ce qui revient à diviser la longueur d’onde par deux). Un an à peine après l’invention du laser, on savait déjà doubler les fréquences des faisceaux laser de cette manière. En fait, si l’on dispose d’une puissance lumineuse assez élevée, on peut obtenir des effets non linéaires dans n’importe quel milieu. Même l’air possède de telles propriétés. Elles n’ont pas un rendement excellent, mais elles existent. Le grand défi des physiciens est alors de répéter cette opération de multiplication de fréquence le plus grand nombre de fois possible. En d’autres termes, ils cherchent à créer des harmoniques à partir d’une fréquence fondamentale, à l’image de ce que l’on connaît en musique. Les meilleurs parviennent aujourd’hui à la 30^e, voire à la 40^e harmonique d’une des fréquences fondamentales du Titane saphir. On entre ainsi dans le domaine des rayons X par la petite porte. Sans accélérateur de particules.

Une autre tendance très à la mode est la production d’impulsions laser extrêmement brèves…

En effet. Lorsqu’on parvient à produire un rayon laser qui ne soit plus monochromatique, mais dont la couleur s’étale sur une plage de longueurs d’onde, le résultat est une impulsion brève dans le temps. C’est une loi générale de la physique. Assez vite, les scientifiques ont obtenu des impulsions laser de l’ordre de la picoseconde (10^-12 seconde, ou millième de milliardième de seconde). Dans les années 1980, grâce au Titane saphir et sa large bande, le laser est entré dans le domaine de la femtoseconde (10^-15 seconde). Cette dernière unité de temps permet de décomposer le mouvement d’atomes à l’intérieur des molécules. C’est avec un tel laser qu’Ahmed H. Zewail, chimiste américano-égyptien, a pu, le premier, étudier avec précision le déroulement d’une réaction chimique ultrarapide. Ce qui lui a valu le Prix Nobel de chimie en 1999. Avec le Titane saphir, il est possible d’émettre un rayonnement laser qui couvre une plage de longueurs d’onde large de 100 nm, ce qui produit des impulsions d’une dizaine de femtosecondes.

Mais on fait déjà mieux aujourd’hui. En tirant profit des harmoniques dont j’ai parlé plus haut, certains groupes parviennent depuis quelques années à produire des impulsions laser dont la durée se mesure en attosecondes (10^-18 seconde, soit un milliardième de milliardième de seconde). Cet intervalle de temps, mille fois plus bref que la femtoseconde, permettrait de «filmer» le mouvement d’un électron autour de son noyau. Il existe encore peu de mesures avec de tels appareils. Mais ce domaine de recherche est très excitant et prometteur.

Quel type de laser utilisez-vous dans votre laboratoire?

Nous travaillons avec des lasers femtosecondes. Pour obtenir des impulsions plus brèves, il faut une installation spéciale que nous ne possédons pas. Mais nous collaborons avec un groupe dirigé par Ursula Keller, professeure à l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich, qui a monté un laser «attoseconde».

A quelles recherches vous servent ces impulsions de quelques femtosecondes?

Entre autres à développer une méthode servant à discriminer des molécules que l’on ne peut pas distinguer de manière traditionnelle. Nous avons ainsi publié dans la revue Physical Review Letters du 26 juin une expérience dans laquelle nous avons réussi à différencier deux flavines (des molécules importantes pour le métabolisme cellulaire) très semblables. Les deux composés sont trop proches pour qu’aucune autre méthode d’analyse optique (fluorescence, par exemple) ne puisse les distinguer. Mais notre laser femtoseconde a permis de détecter et d’amplifier une légère différence dans la manière dont elles changent de forme. Potentiellement, une telle capacité de discrimination peut servir dans des applications médicales, comme le diagnostic plus précis et plus précoce de certaines infections ou maladies.

Vous possédez également un appareil, baptisé Teramobile, qui utilise un laser femtoseconde capable de dompter la foudre…

Cet appareil envoie en effet dans l’atmosphère des impulsions de lumière très courtes, mais très intenses (plusieurs centaines de millijoules durant quelques dizaines de femtosecondes). En traversant l’air, ils déclenchent une série d’effets très intéressants. Le faisceau laser, à l’origine situé dans l’infrarouge, devient blanc (il couvre tout le spectre visible). En plus, chaque impulsion acquiert une puissance de crête (plusieurs terawatts ou 10¹² watts) qui équivaut à celle de toutes les centrales nucléaires de la terre réunies. Mais ces flashs ne durent que quelques femtosecondes et sont relativement espacés dans le temps. C’est pourquoi la puissance moyenne du faisceau du Teramobile est celle d’une bonne lampe de poche. Cela permet néanmoins d’ioniser les molécules d’air sur son passage et de provoquer la condensation de la vapeur d’eau en gouttelettes. Toutes ces qualités ouvrent des perspectives alléchantes dans l’analyse des constituants (polluant, aérosols, etc.) de l’atmosphère, la maîtrise de la foudre et le contrôle de la météo.

Le monde du laser est actuellement un vrai festival de préfixes obscurs. En plus du laser «attoseconde», on entend aussi parler de laser «mégajoule» et «exawatt». De quoi s’agit-il?

Ce sont deux machines très différentes. Le laser mégajoule est une machine gigantesque fabriquée en France (les Etats-Unis possèdent déjà une installation similaire) qui cherche à concentrer un maximum d’énergie dans un espace minimal. Il ne recherche pas la puissance (watts), mais l’énergie (joules) maximale. La première utilité d’un tel appareil est de recréer expérimentalement des conditions physiques de pression et de température extrêmes, semblables à celles présentes dans des explosions nucléaires. C’est pourquoi, en France, c’est la Direction des applications militaires du Commissariat à l’énergie atomique qui développe le laser mégajoule. Construit en Gironde, il devrait être opérationnel dans le courant de cette décennie. Le but est de déposer 1,8 mégajoule (millions de joules) sur une cible minuscule de quelques millimètres. Au-delà de l’aspect militaire, cette machine présente un intérêt scientifique puisque des expériences de fusion inertielle sont notamment prévues.

Et le laser exawatt? Le laser exawatt s’inscrit dans le projet européen ELI (Extreme Light Infrastructure). Cinquante laboratoires et 13 pays sont partie prenante. L’objectif affiché est de produire des impulsions laser très puissantes (un exawatt vaut 10¹⁸ watts) et très brèves (de l’ordre de l’attoseconde voire, pourquoi pas, la zeptoseconde, c’est-à-dire 10^-21 seconde). Ce genre de faisceau dispose de la puissance nécessaire pour mettre en évidence, notamment, les propriétés optiques non linéaires du vide. La phase préparatoire doit durer jusqu’à la fin de l’année. La construction proprement dite devrait prendre cinq ans.

http://www.ulp.ethz.ch/

http://www-lmj.cea.fr/

http://www.extreme-light-infrastructure.eu/index.php