En un demi-siècle, le laser a complètement transformé notre paysage technologique. Lecture de codes-barres, développement d’horloges atomiques ultraprécises, télécommunications à longue distance, ablations chirurgicales, marquages en tout genre, étude de l’atmosphère, usinage de matériaux, spectacles son et lumière, télédétection… le laser est partout.
Il est aussi et plus que jamais présent dans les laboratoires de physique où les chercheurs s’ingénient à exploiter toujours plus son immense potentiel.
– Le laser qui découpe plus vite qu'il ne chauffe
– Recréer le spectre de la lumière visible à partir d'une seule couleur
– Des dents de toutes les couleurs
– L'avenir du laser est aux extrêmes
Là où une ampoule classique diffuse de la lumière blanche en tous sens, le laser est un rayon lumineux cohérent, monochromatique et unidirectionnel. Le laser naît d’une émission de photons stimulée pour générer de nouveaux photons qui ont tous exactement les mêmes propriétés que les photons originels : fréquence, direction de propagation, phase, direction de polarisation.
L’émission et la multiplication des photons se produisent au cœur d’un matériau, liquides, cristaux ou gaz de toutes sortes. Ce milieu amplificateur est intégré dans une cavité optique flanquée de deux miroirs, permettant à la lumière de rebondir en nombreux aller-retours dans le milieu amplificateur. L’un des miroirs n’est que partiellement réfléchissant, laissant s’échapper une partie de la lumière : libéré, le rayon laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) peut faire la démonstration de toute l’étendue de ses capacités.
Avec un laser on peut mesurer la distance de la Terre à la Lune, on peut aussi couper proprement un cristal aussi dur que le diamant ou inciser délicatement la cornée de l’œil. C’est qu’il y a laser et laser : ultraviolets, verts, jaunes, rouges, infrarouges, lasers continus ou impulsionnels, d’une puissance de quelques watts pour la microchirurgie à plusieurs centaines voire milliers de watts pour la découpe de l’acier, il est peu de dire que le laser a révolutionné la technologie.
John Dudley, chercheur en optique à l’Institut FEMTO-ST, président de la Société européenne de physique et instigateur de l’Année internationale de la lumière, met en lien le bond technologique qu’il représente et les besoins de nos sociétés. Marchant en cela sur les traces de Charles Townes, l’inventeur du laser décédé en janvier dernier, pour qui il nourrit une profonde admiration, John Dudley souligne la responsabilité qui doit être celle de la communauté scientifique. « Nous avons inventé la technologie laser, c’est à nous de la démocratiser. C’est un enjeu important quand on sait que seulement 20 % de la population mondiale bénéficie aujourd’hui de ses avancées. Il nous appartient aussi de nous assurer qu’elle est correctement utilisée. » Allusion à la dernière génération de lasers nés voilà trois ou quatre ans, très puissants, intéressant entre autres le domaine militaire, « pour lesquels il doit se créer des débats entre scientifiques et politiques ».
À l’Institut de physique de Neuchâtel, Thomas Südmeyer est directeur du laboratoire Temps-fréquence. Lui aussi milite en faveur des implications sociétales du laser, et parle d’un progrès « utile à la compréhension de la science et du monde ». Lorsqu’il est continu, un laser reste cohérent dans l’espace sur des durées tellement longues qu’il est capable de mesurer la distance qui nous sépare de la Lune, et de s’apercevoir que celle-ci s’éloigne de la Terre de 3 à 4 cm par an.
Un laser peut aussi se décomposer en impulsions ultrabrèves et concentrer son énergie sur de très courtes durées, promettant de nouvelles révolutions médicales. « On peut comprendre et visualiser des mouvements extrêmement rapides dans l’infiniment petit, ce qui se passe au niveau de l’atome et comment se font les liaisons chimiques », explique-t-il. Car depuis les travaux de Zewail, prix Nobel de chimie 1999, on sait « photographier » l’activité moléculaire avec une précision de l’ordre de quelques femtosecondes. Rappelons qu’une femtoseconde équivaut à… un millionième de milliardième de seconde ! Déclenchée par l’émission d’un flash laser, la réaction moléculaire est analysée par spectroscopie lors de l’envoi d’un second flash, chacun d’une brièveté difficilement imaginable. Pour aider notre pensée, sachez que le rapport de grandeur entre une seconde et une femtoseconde (10-15) serait analogue au rapport entre sept minutes et l’âge de l’Univers, une comparaison simple mais à donner le tournis.
Usinage laser de l'acier – Photo Metaveld BV
Inventeur du maser (amplification de micro-ondes), puis du laser (amplification d’ondes lumineuses) Charles Townes obtient le prix Nobel de physique en 1964 aux côtés de deux Russes. Le physicien américain est décédé le 27 janvier dernier à l’âge de quatre-vingt-dix-neuf ans.
« Une personnalité de génie et un homme remarquable », souligne John Dudley, qui rappelle l’éclectisme de ses travaux. En astrophysique, Charles Townes affirmait l’existence d’un trou noir au centre de la Voie lactée dès 1985, une théorie prouvée en 2002. Le physicien témoignait d’une grande influence en politique, apportant son expertise et sa réflexion scientifiques au gouvernement américain pour l’élaboration du programme Apollo de la NASA ou la gestion de la Guerre froide, et à la société en soutenant notamment l’interdiction des essais nucléaires dans l’espace.
Les lasers peuvent émettre sur une foule de longueurs d’ondes différentes, représentant autant de couleurs sur le spectre de la lumière visible, et s’étirant jusqu’à certaines valeurs de l’infrarouge et de l’ultraviolet. La longueur d’onde du laser, et donc sa couleur, dépend directement du matériau choisi comme milieu amplificateur pour assurer l’émission stimulée des photons. C’est le changement de niveau d’énergie des électrons d’un atome, correspondant à leur passage d’un état fondamental à un état excité, processus générateur de photons, qui est ici étudié.
Fabriqué aux États-Unis en 1960 par Theodore Maiman, le premier laser était rouge, né d’un rubis précurseur d’une longue série de cristaux naturels testés puis choisis en fonction de leurs performances. Très vite, les gaz excités par un courant électrique sont également utilisés, comme l’hélium, le néon, le gaz carbonique… Les lasers liquides à colorants, réputés cancérigènes, sont abandonnés à la fin des années 1980 au profit d’un mélange titane / saphir. Les lasers à semi-conducteurs sont les plus fréquemment rencontrés dans les usages domestiques, et les lasers en verre dopé à l’erbium marquent l’avènement des transmissions haut débit sur fibre optique.
Les lasers dans le proche infrarouge, qui ne sont quasiment pas absorbés par les fibres en silice, sont largement utilisés dans les télécommunications longue distance. Mais les infrarouges et les ultraviolets sont de manière générale, et pour des raisons différentes, facilement absorbés par les matériaux. D’où la difficulté de trouver ceux qui pourront être à l’origine de l’émission laser dans ces gammes de longueurs d’onde.
Sonder l’ultraviolet extrême est actuellement hors de portée des technologies connues. C’est un objectif inscrit au programme de recherche de Thomas Südmeyer à Neuchâtel, qui a obtenu en 2012 un financement de l’ERC (European Research Council) de 1,5 million d’euros pour la réalisation d’un système permettant d’effectuer des mesures dans ce domaine spectral à partir de l’interaction entre des impulsions ultracourtes et des atomes de gaz rares. Ce processus pourrait se substituer à la génération d’ondes électromagnétiques dans les centaines de mètres du tunnel d’un accélérateur de particules, actuellement seules susceptibles de sonder l’extrême ultraviolet. Avec l’énorme avantage de pouvoir être développé en laboratoire sur une table optique, dont l’installation en milieu contrôlé devrait être finalisée à l’Institut de physique dans les prochaines semaines.
En télécommunications, les impulsions brèves augmentent considérablement les possibilités de transmission de l’information. Seuls des lasers de ce type sont susceptibles de garantir la transmission d’informations à haut débit sur de très longues distances par fibre optique, comme les milliers de kilomètres de réseaux sous-marins intercontinentaux.
Dans le domaine industriel, de nettes avancées sont observées dans l’efficacité des moteurs de voiture grâce à l’amélioration de la précision de perçage des buses d’injection. L’énergie que les lasers sont capables de concentrer pendant quelques dizaines de femtosecondes en un point extrêmement précis leur donne la capacité d’usiner un matériau sans qu’aucune chaleur n’ait le temps de se propager en son cœur. La découpe du verre est devenue possible sans bavure grâce au laser, il suffit pour s’en convaincre d’étudier la perfection des bords de l’écran d’un smartphone ou les encoches pratiquées à sa surface, tout aussi impeccables. La prochaine génération (un ou deux ans) de smartphones devrait utiliser la technologie du laser femtoseconde. La cold ablation est à ses débuts.
La mise au point de lasers d’autant plus puissants qu’ils sont ultrarapides est une des activités centrales de l’équipe de Thomas Südmeyer. Le laboratoire Temps-fréquence de l’université de Neuchâtel collabore activement avec l’ETH Zurich qui détient le record mondial avec des lasers impulsionnels d’une puissance moyenne de 300 W, contre 1 W quinze ans plus tôt, et vise à atteindre la barrière des 1 000 W. « Les mesures effectuées par laser prendraient incroyablement moins de temps qu’aujourd’hui, par exemple pour réaliser des analyses biologiques sur le corps humain », raconte Thomas Südmeyer, dont les préoccupations sociétales s’expriment par l’ouverture de nouveaux champs d’application au sein du pôle de recherche national MUST (Science et technologie de processus moléculaires ultrarapides), porté par l’École polytechnique fédérale de Zurich et l’université de Berne, et doté de cinquante millions de francs suisses sur douze ans.
Une seule impulsion laser femtoseconde suffit à percer sur une profondeur de plusieurs centaines de microns et de façon très nette un trou de quelques centaines de nanomètres de diamètre dans du verre. Un très haut rapport de forme qui, après une valeur de 100 obtenue en 2010, est aujourd’hui passé à 1 000.
Toutes proportions gardées, l’exploit reviendrait à percer avec une seule charge explosive un tunnel de 10 m de diamètre sur dix kilomètres de long. À l’échelle micrométrique, avec un diamètre de 0,2 μm pour une longueur de 1 mm, il est plus approprié de parler de canal, voire de fil. À l’origine de l’événement, un flash laser dont l’énergie est concentrée dans une crête d’une puissance de l’ordre de 10 gigawatts, l’équivalent de la puissance de plusieurs centrales nucléaires réunies, mais qui ne dure ici que 100 femtosecondes.
« La lumière peut ne pas se propager en ligne droite dans le matériau, explique François Courvoisier, chercheur en optique à l’Institut FEMTO-ST. Elle crée des plasmas qui font exploser la matière sous les pressions et températures énormes qu’ils génèrent, puis repoussent la lumière comme le ferait du métal, l’empêchant de rentrer davantage dans le matériau. » L’équipe de François Courvoisier est la seule au monde à réussir à contrôler le dépôt d’énergie de la lumière dans un matériau à l’échelle micro- et nanométrique, un savoir-faire pour usiner finement la matière, protégé par plusieurs brevets. Loin de s’arrêter à ce chemin tout droit tracé, les membres de l’équipe s’ingénient, par des techniques holographiques, à sculpter la lumière pour mieux découper la matière.
Ces travaux trouvent leurs applications dans la découpe des matériaux fragiles, pour les écrans, les panneaux solaires ou les futurs composants microélectroniques empilés en 3D.
À l’Institut FEMTO-ST, on ne développe pas à proprement parler de sources laser, mais on augmente leur potentiel. John Dudley, Thibaut Sylvestre et Hervé Maillotte sont des spécialistes du supercontinuum, un phénomène d’optique non linéaire : l’onde lumineuse d’un laser monochromatique se propage dans un matériau non linéaire, ici une fibre optique, où elle donne naissance à l’ensemble du spectre de la lumière visible. Avec pour résultat final une lumière blanche, qui allie la cohérence du laser et une extrême brillance, comparable à cinq cents fois celle du Soleil ou plus encore.
La grande étendue spectrale du supercontinuum en fait un outil remarquable en spectroscopie, avec des applications médicales inédites comme l’analyse structurelle et fonctionnelle d’organismes vivants, l’analyse de sang par comptage de globules, la tomographie optique de cohérence pour visualiser des structures anatomiques comme celles de l’œil. Le supercontinuum a aussi des applications dans l’industrie et bien sûr la recherche.
« Avec un laser blanc, on peut trier rapidement des bouteilles en plastique selon leur nature, prendre des photos du sol depuis une voiture tout en roulant pour contrôler en temps réel son adhérence, ou encore créer des étoiles artificielles pour la mise au point d’instruments astronomiques… », raconte Hervé Maillotte.
À FEMTO-ST, le supercontinuum est aussi à l’origine de l’explication des vagues scélérates, une recherche menée par John Dudley en collaboration avec une équipe du laboratoire Carnot de Bourgogne (cf. en direct n° 233, novembre – décembre 2010). John Dudley a été le premier à établir une transposition parfaite entre les impulsions optiques géantes associées au supercontinuum dans une fibre optique et le phénomène hydrodynamique à l’origine de la survenue de ces vagues extraordinaires par leur gigantisme et leur soudaineté. Les expériences menées en laboratoire devraient à terme permettre d’élaborer des prédictions sur l’apparition de tels événements en pleine mer.
Dimensions de laboratoire également pour l’équipe d’Hervé Maillotte qui travaille depuis une bonne décennie à diversifier, simplifier et rendre plus compactes ces sources laser. Car si l’invention des fibres optiques microstructurées a permis de générer les premiers supercontinuums d’une extension spectrale de plus de 1 200 nanomètres dans le visible et le proche infrarouge, le bémol était l’encombrement et le coût des sources laser femtosecondes nécessaires à cette prouesse.
Les chercheurs de FEMTO-ST ont travaillé sur d’autres processus optiques non linéaires de conversion de fréquence : avec des lasers délivrant des impulsions cinq mille fois plus longues, correspondant à des sources beaucoup plus compactes, ils ont réussi à créer des supercontinuums aussi étendus dans les fibres optiques conventionnelles des télécommunications, sur une table de laboratoire. Un exploit combinant sources compactes, connectique simplifiée, stabilité exemplaire et coût réduit, qui a valu au prototype développé par Hervé Maillotte et Thibaut Sylvestre un photon d’or au salon OPTO de Paris en 2005.
On dit de jumeaux que si l’un connaît un problème de santé, l’autre ressent immédiatement son malaise même s’il vit à l’autre bout de la planète. Pour les photons jumeaux c’est pareil. Si on change les propriétés de l’un, l’autre subit instantanément les mêmes modifications, et cela même à grande distance. On est loin de la téléportation de matière qui reste du domaine de la science-fiction, mais on peut parler de téléportation dans le domaine de la communication, avec des informations transmises à distance sans pouvoir être interceptées.
Les photons jumeaux, ou « paires de photons intriqués », naissent de l’interaction entre un laser et un matériau non linéaire. La matière absorbe un photon haute fréquence qui se dédouble en deux photons basse fréquence dont la somme des énergies égale celle du photon absorbé. Pour comprendre les propriétés quantiques de la lumière, on effectue des mesures sur le premier photon, ce qui implique obligatoirement sa destruction. Mais le photon jumeau continue à porter les propriétés identiques ou corrélées à celle du photon détruit.
Ces « paires de photons intriqués » ont des propriétés remarquables, qui intéressent l’imagerie autant que la cryptographie. À FEMTO-ST, Fabrice Devaux, Éric Lantz et leur doctorant Paul-Antoine Moreau s’efforcent de les compter. Avec des caméras ultrasensibles, ils sont à même de visualiser, au sens propre du terme, le monde quantique. Les caméras EMCCD, utilisées en astronomie et en biologie, sont capables de détecter une faible intensité de lumière et d’isoler jusqu’à un seul photon. Utilisées en binôme, elles retracent chacune les positions et direction de la paire de photons, dont les propriétés spatiales intéressent en premier lieu les chercheurs.
Le supercontinuum est obtenu à partir d’une seule impulsion laser qui se propage à l’intérieur d’une fibre optique. Les peignes de fréquences sont une autre façon de créer une gamme spectrale étendue, cette fois à partir des impulsions très courtes et répétées d’un laser dit « à modes bloqués ».
Les différentes longueurs d’ondes obtenues se répartissent côte à côte et à équidistance les unes des autres, formant ainsi un véritable peigne, comptant lui des milliers de dents. Cette technologie, née voilà une quinzaine d’années, est un point fort des recherches menées à l’Institut de physique de l’université de Neuchâtel comme à l’Institut FEMTO-ST. À Besançon, Yanne Chembo travaille dans l’infrarouge proche à 1 550 nm, la longueur d’onde typique des télécommunications. Son idée est d’obtenir un peigne à partir d’un unique laser émettant continûment. Le principe ? Faire passer une fibre optique tout contre un résonateur en forme de disque, sans le toucher, ce que le chercheur appelle un « couplage évanescent ».
La fibre, préalablement chauffée, est étirée en cet endroit précis, passant de la taille d’un cheveu à un diamètre cent fois plus petit. Ce processus permet à la lumière de sortir de la fibre, un peu comme si celle-ci était poreuse, et d’entrer dans le disque résonant en suivant un angle rasant. Une fois piégés dans le résonateur, les photons obéissent au principe de la réflexion totale interne. Ils subissent les effets conjugués de la non linéarité optique et de la dispersion chromatique, créant des photons de couleurs différentes redistribués en sortie sous forme de peigne de fréquences. Ce système a fait l’objet d’expériences applicatives menées avec succès avec des scientifiques allemands spécialistes des télécommunications.
Les résultats sont spectaculaires, affichant un débit de 200 Gbit/s sur quatre-vingts kilomètres, soit l’équivalent de trois millions de conversations téléphoniques simultanées.
Les réseaux de fibre optique sous-marins dans le monde
Image : The Fiber Optic Association – www.telegeography.com
Cette recherche avait été encouragée en 2011 par un financement Starting Grant de l’ERC (European Research Council), complété cette année par un financement Proof of Concept pour valoriser le projet. « Pour que le système fonctionne bien, la température du résonateur doit être extrêmement contrôlée, et pour l’instant nous visons le 100e de degré Celsius », explique Yanne Chembo, qui relève ce défi avec l’entreprise bisontine CRYSTAL DEVICE. Une amélioration possible de la stabilité du système consiste par ailleurs à remplacer la fibre optique étirée par un prisme en verre. Mais s’il sait jouer le même rôle sans aucune usure dans le temps, le prisme n’a qu’un « rendement » de 70 à 80 % quand la fibre optique envoie 99 % de ses photons au résonateur. Un autre casse-tête scientifique à résoudre…
On considère généralement qu’un rayon laser, sous prétexte qu’il est unidirectionnel, est rectiligne. Il n’en est rien : le rayon s’élargit au fur et à mesure de sa progression dans l’espace d’autant plus que sa taille initiale est petite. À FEMTO-ST, Mathieu Chauvet et son équipe, avec des collègues de l’université de Rome, ont été les premiers il y a dix ans à démontrer qu’il était possible de confiner un rayon laser dans un cristal de niobate de lithium sans qu’il se déforme. Une haute tension électrique doit être appliquée sur le cristal pour obtenir ce soliton spatial. Mieux ! Les chercheurs ont découvert plus récemment qu’une augmentation de 20°C de la température du matériau produisait les mêmes effets que l’application du champ électrique, avec des conditions de mise en œuvre bien plus faciles ! Le pyroliton était né.
« Le niobate de lithium voit son indice de réfraction se modifier au passage de la lumière. Un changement d’état qu’il garde en mémoire à long terme, créant un guide optique au cœur du matériau, comme dans une fibre », explique Mathieu Chauvet. Avec une plus-value, celle de pouvoir mieux exploiter les propriétés du niobate de lithium, déjà largement adopté dans l’industrie.
L’intérêt est de pouvoir multiplier les canaux à l’intérieur du cristal, un objectif en bonne voie puisque les chercheurs ont réalisé une jonction « 1 vers 4 » signifiant une entrée de lumière et quatre sorties formant ainsi un premier circuit optique 3D. Un autre aspect de leurs travaux consiste à mettre au point des composants optofluidiques, pour lesquels des microcanaux remplis de liquide influent sur la propagation de la lumière dans le cristal en raison d’un indice de réfraction différent, allant jusqu’à rendre possible la séparation des composantes de polarisation de la lumière. Des possibilités intéressant au plus haut point le domaine des télécommunications, notamment pour l’écriture de guides reconfigurables, ainsi que le biomédical ou la microfluidique.
Élargir le spectre des ondes électromagnétiques sur lesquelles pourraient s’aligner les lasers est l’un des enjeux de la discipline. En particulier les émissions dans l’ultraviolet extrême (XUV), qui ouvrirait les portes à l’attophysique : à 10-18 s, cette voie du futur correspondrait à l’étude du mouvement des électrons dans les atomes.
L’avenir est aussi à la lumière extrême : des lasers de plus en plus puissants, dont l’énergie se mesurera un jour en pétawatts, soit 1015 watts concentrés sur une surface de 1 cm2. Cette avancée technologique n’en est aujourd’hui qu’à ses balbutiements, ses premières applications privilégieraient l’astrophysique et la physique des particules.
Citant le prix Nobel de physique Serge Haroche dans son allocution d’ouverture de « l’Année internationale de la lumière et des techniques utilisant la lumière » à l’UNESCO, John Dudley souligne que « chaque découverte de lumière invisible a changé nos vies, les rayons X dans le domaine médical, les micro-ondes pour les télécommunications ou encore l’infrarouge dans le développement de la mécanique quantique ».
Émettant dans le visible ou l’invisible, le laser est une révolution technologique phénoménale, dont l’impact se mesure dans la vie quotidienne autant que dans les laboratoires de recherche.
Génération de supercontinuum black light dans une fibre optique
à cristaux photoniques – Institut FEMTO-ST, 2012
Quelle est la concentration de CO2 dans l’atmosphère et comment varie-t-elle ? C’est un laser continu servant de référence précise de longueur d’onde pour un LIDAR (LIght Detection And Ranging) spatial qui apportera ici des éléments de réponse à cette question. Le laser émettant dans l’infrarouge à 2 μm impose sa longueur d’onde au laser transmetteur du LIDAR qui mesure le profil de concentration du CO2 entre un satellite et la Terre. Les impulsions du laser transmetteur sont ainsi émises de façon très stable à une longueur d’onde précise correspondant à une raie d’absorption du CO2, ce qui est nécessaire pour obtenir la précision requise sur la concentration mesurée.
Au laboratoire Temps-fréquence de l’université de Neuchâtel, Stéphane Schilt s’emploie à stabiliser la source laser à des positions différentes sur le profil d’une raie d’absorption, ce qui permettra au système LIDAR de sonder l’atmosphère de façon plus ou moins lointaine.
« La stabilisation du signal se fait au centre de la raie d’absorption, mais un décalage contrôlé de fréquence, d’un côté ou de l’autre de cette raie, est appliqué au laser en fonction de la profondeur des couches atmosphériques que le LIDAR doit sonder », explique Stéphane Schilt. Une part de la lumière émise par le laser sert à stabiliser la longueur d’onde voulue, une autre fournit la référence de longueur d’onde au LIDAR. La stabilisation du laser est rendue possible par une cellule de référence miniature, constituée d’une fibre optique à cristaux photoniques remplie de gaz et scellée à chaque extrémité. La structure périodique à l’intérieur de la fibre guide la lumière dans un petit trou central d’environ 15 micromètres de diamètre, dans lequel a été injecté du CO2 à basse pression.
Ces travaux de mise au point de la cellule de référence sont réalisés en collaboration avec l’École polytechnique fédérale de Lausanne. Structure peu volumineuse et très légère, conçue de manière la plus compacte possible pour être embarquée, elle intéresse au premier chef l’Agence spatiale européenne qui finance le programme Frequency reference and locking system développé au laboratoire.
Contacts :
Laboratoire d’optique – Institut FEMTO-ST – Université de Franche-Comté / UTBM / ENSMM / CNRS
Hervé Maillotte – (0033/0) 3 81 66 64 25
John Dudley – (0033/0) 3 81 66 64 94
Yanne Kouomou-Chembo – (0033/0) 3 81 66 64 01
François Courvoisier – (0033/0) 3 63 08 24 33
Fabrice Devaux – (0033/0) 3 81 40 28 09
Mathieu Chauvet – (0033/0) 3 81 66 64 09
Institut de physique – Laboratoire Temps-fréquence – Université de Neuchâtel
Thomas Südmeyer – (0041/0) 32 718 29 94
Stéphane Schilt – (0041/0) 32 718 29 17
