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laser

(sigle de l'anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Soudage laser
Soudage laser

Appareil mettant en œuvre le phénomène laser pour engendrer un faisceau de rayonnement spatialement et temporellement cohérent, utilisé dans les domaines de l'armement, des télécommunications, de la métrologie, de la physique fondamentale, de l'industrie, de la médecine, etc.

TECHNOLOGIES

Le laser est fondé sur l'émission stimulée, décrite pour la première fois, sur des bases théoriques, par Einstein en 1917. La première application de ce phénomène a été l'amplification des ondes ultracourtes, qui a donné naissance au maser en 1954, à la suite des travaux de C. H. Townes, N. G. Bassov et A. M. Prokhorov (prix Nobel de physique 1964).

Principe de fonctionnement

L'émission d'un photon par un atome ou une molécule est due à la désexcitation du système, qui passe d'un état excité d'énergie E2 à un état d'énergie inférieure E1. L'émission stimulée est provoquée par un photon d'énergie E2 − E1, énergie absorbée par le système et réémise par désexcitation. Le nombre de particules excitées étant négligeable dans un système à l'équilibre thermique, il faut réaliser une « inversion de population » à l'aide d'une excitation extérieure : c'est le pompage (optique ou électrique), dont le principe a été découvert par A. Kastler.

Les éléments (atomes, molécules ou ions) ainsi excités émettent des photons d'énergie et de longueur d'onde identiques. Ce rayonnement est amplifié par une cavité résonante, constituée de deux miroirs parallèles entre eux et perpendiculaires au rayonnement. L'un des miroirs, partiellement transparent, permet la sortie du rayonnement laser. La cohérence spatiale (les photons ont une direction et une longueur d'onde identiques) et temporelle (ils sont émis en phase) de ce rayonnement permet d'obtenir des faisceaux de très faible divergence qui, focalisés, donnent une grande concentration d'énergie par unité de surface.

Principaux types de lasers

Le premier laser à solide réalisé (en 1960, par le physicien américain Theodore Harold Maiman) est un laser à rubis. Essentiellement constitué d'un barreau de rubis artificiel entouré d'une lampe flash de forme hélicoïdale destinée au pompage optique, il émet une lumière rouge. Pour l'émission dans l'infrarouge, on utilise les lasers à verre au néodyme ou les lasers YAG (Yttrium Aluminium Garnet [grenat d'yttrium et d'aluminium]) ; fonctionnant de façon discontinue, ils donnent des émissions très courtes et de forte puissance, intéressantes pour les recherches sur la fusion nucléaire. Les lasers à gaz, comme les lasers hélium-néon, sont constitués d'un mélange de gaz, l'un d'eux transférant, par collisions, son excitation à l'autre. Les lasers à gaz carbonique et les lasers ioniques donnent des puissances supérieures. Dans les lasers à semi-conducteurs, l'effet laser est obtenu à partir de semi-conducteurs montés en diode à jonction. Les lasers chimiques qui utilisent la réaction du fluor atomique sur l'hydrogène ou le deutérium sont parmi les plus puissants réalisés (2,2 MW).

Applications générales

Outil important de la recherche scientifique, le laser a permis de mieux connaître les phénomènes de diffusion et de diffraction et d'améliorer les mesures de spectroscopie. On l'utilise pour la séparation isotopique de l'uranium et la métrologie de précision ainsi que pour les télécommunications (possibilité de moduler la longueur d'onde d'émission dans les transmissions par fibres optiques), la photocomposition, le soudage, la découpe et l'usinage industriels, la production d'images (holographie) et, en électroacoustique et informatique, pour la lecture des disques numériques.

Applications médicales

En médecine, on emploie, suivant les disciplines, le laser à l'argon (photocoagulation), le laser au CO2 (bistouri laser) ou le laser YAG (dont le rayonnement est absorbé par tous les tissus). Leurs principales indications concernent l'oto-rhyno-laryngologie, la dermatologie, la gynécologie. Le laser à l'argon, ou laser excimer, qui décompose les cellules sans les brûler, est utilisé en ophtalmologie, dans le traitement de nombreuses affections oculaires. Il permet de prévenir ou de traiter le décollement de rétine, de sculpter la cornée de façon très précise (technique du Lasik pour corriger la myopie, l'hypermétropie ou l'astigmatisme), etc.

Pour en savoir plus, voir les articles laser [médecine], laser excimer [médecine].

Applications militaires

Dans le domaine de l'armement, le laser est utilisé pour mesurer les distances (télémètre laser) ou les vitesses de rotation (gyromètre laser), pour le guidage des missiles et l'acquisition de cibles. Des programmes de recherche mettant en œuvre des lasers extrêmement puissants sont en développement en France (laser Mégajoule) et aux États-Unis (National Ignition Facility) en vue d'effectuer des simulations d'essais thermonucléaires.

Le laser Mégajoule (LMJ), en cours d'installation au Centre d'études scientifiques et techniques d'Aquitaine (CESTA) du Commissariat à l'énergie atomique, sur la commune du Barp, en Gironde, doit être achevé en 2009. Il comportera 30 chaînes laser de 8 faisceaux chacune, permettant de déposer une énergie de 1,8 MJ sur une minuscule cible de deutérium et de tritium. La quantité d'énergie apportée sera suffisante pour provoquer la fusion nucléaire de ces deux isotopes de l'hydrogène. L'objectif est de réaliser des simulations d'explosions thermonucléaires (en remplacement des expérimentations souterraines ou atmosphériques, désormais interdites) afin de pouvoir étudier les processus physiques mis en œuvre dans l'étape finale du fonctionnement d'une arme nucléaire en vue de développer et de pérenniser les armes de dissuasion. Une installation prototype, la Ligne d'intégration laser (LIL), fonctionne déjà : comportant une chaîne laser élémentaire de 8 faisceaux identiques à ceux du LMJ, elle est capable de délivrer une énergie de 60 kJ et permet de valider les choix technologiques effectués pour le LMJ.

Applications en physique des basses températures

Utiliser le puissant faisceau de lumière directif émis par un laser pour percer, fondre, découper du métal ou même comme une arme destructrice n'étonne plus personne. En revanche, il peut paraître étrange de se servir d'un laser comme réfrigérateur. Bien sûr, c'est un réfrigérateur d'un genre particulier et il ne refroidit que des denrées un peu spéciales, des gaz d'atomes.

Les physiciens ont en effet réussi, grâce au laser, à refroidir des atomes jusqu'à des valeurs proches du zéro absolu, moins d'un millionième de degré kelvin. Au lieu de s'agiter en tous sens, comme ils le font habituellement à la température ambiante, les atomes sont gelés sur place en un petit nuage glacé et on peut les étudier tout à loisir, dans des conditions encore inimaginables il y a quelques années. Cette nouvelle technique va probablement trouver une application, entre autres, dans l'étalon de temps universel, l'horloge à césium, dont les physiciens espèrent améliorer les performances.

Qu'est-ce que le refroidissement des atomes ?

Mais comment un laser peut-il refroidir des atomes ? Pour le comprendre, il nous faut tout d'abord préciser que ce que nous appelons communément chaleur est en fait, au niveau microscopique, une agitation forcenée des particules atomiques. Dans un solide, les atomes vibrent autour de la position où ils sont maintenus par les forces de cohésion internes. Dans un gaz, ils se déplacent en tous sens à des vitesses considérables – des centaines de mètres ou même des kilomètres par seconde – d'un bout à l'autre du récipient qui les contient. Abaisser la température revient à réduire cette agitation thermique, et le zéro absolu, qui se trouve à − 273 °C, correspond à l'immobilité parfaite. Aussi, refroidir les atomes d'un gaz, c'est finalement freiner leur mouvement erratique.

La pression de radiation

C'est ici qu'intervient le laser : dans certaines conditions, celui-ci peut ralentir les atomes à l'aide de la pression de radiation, qui est une véritable force de pression exercée par la lumière sur les objets matériels. Pour retrouver la première notion de pression de radiation, il nous faut remonter le temps, bien avant l'invention du laser, et nous rappeler que, dès le début du xviie s., Kepler avait supposé l'existence d'une telle force. Il expliquait ainsi que la queue des comètes soit toujours située à l'opposé du Soleil, repoussée par la pression de radiation de la lumière solaire. En fait, la queue des comètes est orientée par un ensemble de phénomènes plus complexes, mais la pression de radiation attire plus que jamais l'intérêt des physiciens. C'est Einstein, au début du xxe siècle, qui a donné la première interprétation quantitative de ce phénomène, en montrant que la lumière est formée de particules, les photons. Une paroi opaque (ou réfléchissante) éclairée par une lumière assez forte est soumise à un véritable bombardement de photons, qui peut la mettre en mouvement si elle est assez légère.

Pousser et ralentir des atomes avec un laser

De même que la paroi opaque, les atomes d'un gaz qui absorbent des photons encaissent le choc et reçoivent une impulsion dans la direction d'où vient la lumière. Un atome immobile placé dans un faisceau laser est poussé dans la direction de propagation du faisceau avec une force considérable, qui peut l'accélérer jusqu'à la vitesse d'un kilomètre par seconde en moins d'une milliseconde. Cet effet impressionnant n'est pas dû à un seul photon, qui ne donne à l'atome qu'un choc assez faible. Il résulte de la répétition des chocs encaissés par l'atome à chaque fois qu'il absorbe un photon.

Mais l'atome serait incapable d'absorber successivement de nombreux photons sans en réémettre. En fait, après chaque absorption, l'atome réémet un autre photon, dit de fluorescence, semblable à celui qu'il vient d'absorber, mais qui part dans une direction quelconque. À chaque émission, l'atome recule aussi comme un fusil après le départ du coup, et on pourrait croire que l'émission d'un photon va défaire ce qu'a fait l'absorption. Il n'en est rien, car si les chocs dus à l'absorption s'ajoutent tous dans la même direction, les reculs associés à l'émission des photons de fluorescence vont dans des directions aléatoires et leur effet cumulé est nul.

Le point crucial est bien sûr de faire absorber les photons par l'atome. Il faut pour cela que la fréquence des photons soit ajustée de manière à correspondre à une des propres fréquences de l'atome. C'est dans ces conditions que l'on arrive à pousser efficacement un atome.

Si maintenant on projette des atomes rapides à la rencontre d'un faisceau laser, on peut les ralentir, les arrêter et même leur faire rebrousser chemin. Cette expérience de ralentissement a été réalisée pour la première fois en 1985 par deux équipes américaines.

L'effet Doppler

La mise au point d'une telle expérience implique une difficulté supplémentaire : l'effet Doppler. C'est un phénomène très général, qui se produit pour le son comme pour les ondes lumineuses, quand la source est en mouvement par rapport à celui qui l'observe. Ainsi, à cause de l'effet Doppler, le sifflet d'un train paraît plus aigu quand le train se rapproche et plus grave quand il s'éloigne ; la fréquence des photons que voit un observateur (ou un atome) en mouvement est différente de celle qu'émet le laser.

Pour ralentir efficacement un jet d'atomes rapides, il faut donc régler la fréquence des photons que l'on envoie à la rencontre du jet de manière à tenir compte de l'effet Doppler ; en l'occurrence, on l'ajustera un peu au-dessous de la fréquence propre de l'atome, de manière qu'une fois déplacée par l'effet Doppler, elle tombe juste sur la fréquence atomique ; ainsi l'atome pourra absorber les photons et être freiné avec un maximum d'efficacité.

Du ralentissement au refroidissement

Mais jusqu'ici le procédé ne fait que ralentir des atomes lancés à toute vitesse dans un jet. Comment maintenant refroidir une vapeur où les atomes vont dans tous les sens à grande vitesse ?

L'association de plusieurs lasers

Le dispositif adéquat, qui a été proposé dès 1976 par deux physiciens de l'université Stanford, utilise plusieurs faisceaux laser. On peut comprendre comment il fonctionne en examinant ce qui se passe le long d'une ligne suivant laquelle on envoie deux faisceaux laser identiques se propageant en sens inverse. Réglons la fréquence des lasers légèrement au-dessous de la fréquence propre des atomes en mouvement et suivons un atome qui se dirige vers la droite. Comme précédemment, à cause de l'effet Doppler, la fréquence du laser de droite, vers lequel il se dirige, lui paraît augmentée, et donc rapprochée de sa fréquence propre ; au contraire, celle du laser de gauche, dont il s'éloigne, lui paraît nettement inférieure à sa fréquence propre. L'atome absorbera donc plus volontiers des photons du laser de droite, précisément celui qui tend à le freiner. Si l'atome va vers la gauche, on peut répéter le même raisonnement. Avec deux lasers, on peut donc ralentir l'atome dans un mouvement vers la droite ou vers la gauche.

Avec six faisceaux laser, opposés deux à deux dans les trois directions de l'espace, la pression de radiation s'oppose au mouvement des atomes, qu'ils aillent vers la droite ou la gauche, vers le haut ou le bas, vers l'avant ou l'arrière. L'atome est alors freiné très énergiquement, quelle que soit la direction qu'il prenne, comme s'il se déplaçait dans un liquide très visqueux, d'où le nom de mélasse optique donné à ces dispositifs. Ainsi, la mélasse optique calme l'agitation thermique des atomes et les gèle littéralement sur place. L'expérience réalisée pour la première fois en 1985 dans les laboratoires AT&T Bell aux États-Unis donna des atomes de température inférieure au millième de degré kelvin, ce qui correspond à des vitesses de quelques dizaines de centimètres par seconde en moyenne. Et ce freinage s'effectue en millièmes de seconde !

Des prévisions théoriques battues en brèche !

Quelques années après les premières expériences de mélasse optique, en 1990, une équipe française se rapprochait encore du zéro absolu et battait le record mondial de froid pour des atomes avec 2 µK seulement (2 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu). Cette grande avancée dans le domaine expérimental s'accompagnait aussi de progrès théoriques importants, dus aux équipes française et américaine. En effet, si l'on se fonde sur le raisonnement que nous avons présenté plus haut pour le mécanisme de refroidissement dit de « mélasse Doppler », on peut calculer une température limite au-dessous de laquelle on ne pourra pas descendre. La force de friction de la mélasse qui devrait amener les atomes à l'immobilité totale est contrecarrée, lorsque les atomes sont assez froids, par l'émission de photons de fluorescence déjà mentionnée plus haut. À cause du recul dû à l'émission des photons de fluorescence qui se produit au hasard, dans tous les sens, les atomes ressentent, en plus de la force de friction, une agitation résiduelle faible mais qui limite la température à environ 200 µK.

Or, dès les premières expériences, cette limite théorique était presque atteinte, puis dépassée dans les expériences suivantes : phénomène rare, les expériences marchaient mieux que prévu! C'était pour les physiciens l'indication que d'autres mécanismes de refroidissement devaient entrer en jeu. Il s'agit en réalité d'un autre effet mécanique de la lumière, indépendant de la pression de radiation.

Le refroidissement amélioré grâce aux propriétés ondulatoires de la lumière

Les ondes lumineuses produisent pour l'atome un véritable relief, suite de creux et de bosses que l'atome, déjà bien ralenti par l'effet de mélasse, va monter et descendre. On peut s'arranger pour que l'atome monte plus de pentes qu'il n'en descend. Il perd ainsi l'énergie qui lui restait et demeure bloqué dans un creux, où il se trouve à une température très basse.

C'est par hasard que les chercheurs, qui croyaient produire uniquement du « refroidissement Doppler », se trouvaient aussi dans la bonne configuration pour profiter de cet effet de creux et de bosses. Ayant élucidé le nouveau mécanisme, ils l'ont fait jouer au mieux, et c'est ainsi que l'équipe française a battu son record du monde.

Un piège pour les atomes ultra-froids

Les mélasses de photons refroidissent donc les atomes à des températures ultra-basses, mais les atomes n'y sont pas vraiment emprisonnés. Ils vont encore à des vitesses de l'ordre du centimètre par seconde, en zigzag suivant un parcours erratique, car ils changent de direction chaque fois qu'ils rencontrent un photon, mais rien ne les empêche de diffuser lentement vers les bords de la mélasse (constituée par la zone de croisement des six faisceaux) et de s'échapper. En gros, on les freine, mais on ne les piège pas.

Pour remédier à cet inconvénient, les chercheurs français ont proposé de perfectionner la mélasse en ajoutant un champ magnétique aux six faisceaux laser.

Le couplage laser-champ magnétique

Le champ magnétique modifie la structure interne des atomes et leur fréquence propre. D'où un changement de la pression de radiation que les photons exercent sur lui. Avec un champ magnétique qui varie rapidement autour d'un point central on arrive à ajuster la pression de radiation de manière qu'elle ramène toujours les atomes vers le centre, tout en continuant à produire l'effet de mélasse.

Pour remplir ce piège à atomes froids, les chercheurs ont tout d'abord utilisé un jet d'atomes déjà ralentis. Mais, remarquant que les atomes allaient très facilement vers le piège, même quand le jet ne visait pas exactement le centre, ils ont pensé qu'ils pourraient peut-être aussi capturer des atomes dans des conditions plus difficiles. Ils ont donc mis en route le piège au centre d'une simple cellule en verre qui contenait un gaz d'atomes à la température ambiante. Le piège marche si bien qu'il capture les atomes qui passent à proximité du centre, les refroidit et les maintient là en suspens : au bout d'une fraction de seconde, de nombreux atomes viennent s'agglutiner en un petit nuage brillant, où la densité d'atomes est mille fois supérieure à celle du gaz. De plus ces atomes sont très froids, alors que ceux du gaz environnant sont chauds.

Cette expérience a été tout d'abord réalisée avec des atomes de césium et des lasers de 850 nm de longueur d'onde, ce qui correspond à une couleur rouge très sombre, à peine visible, à la limite de l'infrarouge. Pour bien voir le nuage, il est préférable d'utiliser une caméra infrarouge. L'expérience a aussi été faite avec des atomes de sodium, qui demandent un laser jaune-orangé à 690 nm.

Dans les deux cas, on voit très distinctement le nuage se former dès que l'on branche les lasers. Le nuage est brillant à cause des photons de fluorescence émis de toutes parts par les atomes piégés. Le nombre d'atomes capturés dans un tel piège est habituellement de 100 millions à 1 milliard, et le nuage a quelques millimètres de diamètre.

À quoi servent les atomes froids piégés ?

Les atomes froids piégés ouvrent des perspectives nouvelles sur la physique des très basses températures. Ces atomes très froids vont-ils se solidifier en un réseau régulier ou se condenser sous d'autres formes, comme cet état bizarre de la matière à très basse température prévu par Bose et Einstein en 1925 et jamais observé jusqu'à présent ?

Un piège à atomes radioactifs

Les physiciens ont piégé et refroidi des espèces atomiques variées. Plusieurs équipes de recherche se sont lancées dans le piégeage d'atomes radioactifs, en visant particulièrement des espèces rares. Dans un piège, on peut les immobiliser et les observer à loisir, au moins pendant leur durée de vie.

Un piège à antimatière

Une des idées les plus étonnantes est de stocker de l'antimatière dans un piège. Habituellement l'antimatière s'annihile avec la matière, ce qui fait qu'on ne peut pas la conserver dans un récipient ordinaire. Le piège constitue une boîte immatérielle, dans laquelle l'antimatière pourrait s'accumuler en toute sécurité.

L'étalonnage du temps

Les atomes froids devraient aussi renouveler les horloges atomiques, qui constituent la référence actuelle de la mesure du temps. En effet, la seconde est, par convention, reliée à la période d'une onde (de type onde radio) que l'on met en résonance avec une transition de l'atome de césium. Plus longtemps dure la mesure, mieux on peut faire coïncider la fréquence de l'onde avec celle de l'atome et meilleure est la précision avec laquelle on peut mesurer le temps. Actuellement, les horloges atomiques utilisent des jets d'atomes de césium très longs, de l'ordre de quelques mètres, qui donnent une précision relative de 1013, ce qui veut dire qu'elles dérivent de moins d'une seconde en un million d'années.

Mais on a besoin d'horloges encore plus précises, pour la physique fondamentale aussi bien que pour des problèmes pratiques comme la navigation assistée par satellite. Avec des atomes froids lancés en l'air et retombant doucement, la précision devrait être mille fois supérieure. Mieux encore, les chercheurs étudient une horloge sur satellite, où les atomes ne tomberaient pas et qui battrait toutes les horloges terrestres. Ainsi les atomes refroidis par laser sont à la base de certains des projets les plus passionnants de la physique actuelle, où se rencontrent deux mondes, le monde microscopique des atomes et le monde macroscopique où nous vivons.