Le laser à gaz carbonique

Contexte historique

Après l'invention du maser (cf. Le maser à ammoniac au Laboratoire de l'horloge atomique), la technique d'amplification par émission stimulée de rayonnement fut appliquée à la lumière. Le principe du " maser optique " ou laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fut publié par Charles Townes et Arthur Schawlow dès 1958. A la manière du faisceau de gaz ammoniac dans le premier maser, un faisceau lumineux peut forcer l'atome à redescendre de son état excité en cédant son énergie : un photon frappe un atome et deux photons en ressortent. L'intérêt de ce processus est que la lumière émise est exactement identique à la lumière incidente : les deux ondes lumineuses sont exactement en accord de phase. L'émission stimulée, prévue par Albert Einstein en 1917, produit ainsi une multiplication de photons identiques et une amplification cohérente de l'onde lumineuse.

Le principal problème à résoudre était que l'émission stimulée est en compétition avec d'autres modes d'interaction de la lumière avec les atomes, en particulier l'absorption, phénomène symétrique de l'émission de photons. L'idée statistique à laquelle les chercheurs arrivent est qu'il est besoin, pour que l'effet recherché se produise, d'une " inversion de population " d'atomes, c'est-à-dire qu'une majorité d'atomes se trouve dans un état excité de façon à ce que l'effet d'émission l'emporte sur l'effet d'absorption. Cette situation est difficile à réaliser. La première solution a été d'appliquer un fort courant électrique de façon à exciter les atomes ; l'autre à utiliser un faisceau de lumière pour les placer dans un niveau supérieur, comme sous l'effet d'une " pompe optique ", proposée par les physiciens Alfred Kastler et Jean Brossel. Pour générer une amplification suffisante, sans que un phénomène de diffraction ne se produise ou que l'amplification ne soit pas absorbée par le milieu ambiant, ce qui suscite de nombreux essais à la fin des années 1950.

Le premier laser qui a fonctionné est un laser à rubis rose, mis au pont par Theodore H. Maiman en 1960. L'excitation des atomes y résulte d'une décharge dans un tube à néon enroulé en hélice autour du cristal. Celui-ci, d'une longueur de quelques centimètres, a ses faces terminales (quelques millimètres de diamètre) planes, parallèles, et recouvertes de couches très réfléchissantes, produisant l'amplification du faisceau requise. La même année, un laser à hélium-néon est mis au point avant d'être surpassé par un laser à semi-conducteur mis au point en 1962. L'intérêt pour les lasers ne s'est pas démenti, d'autant que les applications ont été multiples, soit dans la vie courante, soit dans les industries de haute technologie ou dans la recherche. Les différentes propriétés du laser ont été mises à profit. La cohérence du faisceau lumineux permet ainsi de l'utiliser pour mesurer des distances : on utilise ainsi la possibilité de réfléchir le faisceau lumineux. C'est ainsi qu'il est utilisé pour " lire " des informations binaires sur les disques laser.

Dans les télécommunications, ce sont les propriétés ondulatoires des lasers, dont on peut moduler la fréquence, qui ont été utilisées, d'abord sur le modèle hertzien, comme il est proposé dans le document, puis par l'intermédiaire de fibres optiques. C'est la qualité de transmission par laser qui explique le formidable développement d'Internet. D'autres lasers voient leur faisceau focalisé, de façon à concentrer une grande énergie. Les capacités de perçage et de découpe des lasers à grandes énergies, comme le laser à gaz carbonique du document, sont largement exploités dans l'industrie mécanique. Des lasers de moindre puissance, mais avec les mêmes propriétés, permettent de nettoyer les oeuvres d'art, ou d'effectuer des opérations de chirurgie de grande précision, en ophtalmologie ou en dermatologie. Les chercheurs qui ont inventé le laser étaient loin d'en soupçonner les multiples applications.

L'intérêt du grand public fut pourtant éveillé très tôt aux possibilités énergétiques des faisceaux lumineux : sans revenir aux idées militaires d'Archimède, qui proposait de concentrer la lumière du soleil dans un miroir concave et le diriger vers ses ennemis, le " rayon de chaleur " de la Guerre des mondes de H. G. Wells (1898) était déjà un faisceau lumineux d'une grande énergie qui permet aux Martiens de détruire le monde. Il a été plus récemment popularisé par le " sabre-laser ", truquage réussi de la Guerre des étoiles, de George Lucas (1977).

Bibliographie :

Elisabeth Giacobino, "Les lasers", in La Physique et les éléments, Université de tous les savoirs, sd Yves Michaud, Paris, Editions Odile Jacob, 2002, pp. 149-159.

Éclairage média

Le reportage du Journal télévisé de 20h est l'un des tous premiers d'un journaliste spécialisé dans la vulgarisation scientifique : François de Closets. Ce dernier propose, un petit documentaire qui associe des images de laboratoire à l'interview d'un chercheur. Les premières images fournissent au téléspectateur une introduction à un outil de haute technicité de façon ludique. Afin de donner des explications techniques sur la fabrication d'un faisceau laser, il associe à son propre commentaire un chercheur, qui donne autorité à son discours. Le reportage se clôt sur les applications sociales du laser expérimental et sur les perspectives stratégiques, inspirées des romans d'anticipation.