Le seize mai 1960, un Américain, Theodor Maiman, fait fonctionner le premier laser optique de l’histoire. Que ce soit dans la recherche fondamentale ou dans la vie quotidienne, c’est une révolution majeure. De nombreux organismes et laboratoires dans le monde ont décidé de fêter dignement ce cinquantenaire.LASER, c’est l’acronyme de Light Amplification by stimulated emission of radiation, en français : amplification de la lumière par émission stimulée de radiation. Lorsque les héros de la Guerre des Etoiles manipulent leur épée lumineuse (« Que la force soit avec toi »), il s’agit de laser. Si nous pouvons écouter des CD ou regarder des DVD, naviguer sur le web, attendre moins longtemps aux caisses grâce au scannage des codes-barres, c’est grâce au pinceau lumineux du laser qui lit les informations stockées sur les disques ou sur de nombreux autres supports.
Albert Einstein n’avait pas prévu le laser, qui est pourtant une conséquence de ses travaux sur la théorie quantique des interactions entre matière et lumière. Mais ça marche comment ?
On enferme dans une cavité résonante un « milieu », que l’on excite. Le milieu peut être solide (un rubis), gazeux (un mélange de gaz rares), ou même liquide. Dans un milieu à l’état normal, les atomes qui le constituent se partagent une énergie globale moyenne, la population de ces atomes tendant vers une forte proportion d’atomes à faible énergie, qui émettent des photons de manière aléatoire et spontanée. Disons une « lumière » plutôt désordonnée.
Si on se met à exciter l’ensemble des atomes du milieu (un rubis, un gaz…), autrement dit à leur fournir de l’énergie, les atomes dotés de niveaux d’énergie élevés deviennent de plus en plus nombreux. Cet effet est renforcé par les parois de la cavité résonante où l’on a enfermé le milieu excité. La cavité en effet, réfléchit au sein du milieu les photons émis, qui excitent d’autres atomes. Une sorte de « réaction en chaîne » s’opère, avec une conséquence étonnante qui donne au laser sa particularité : les photons produits de cette manière ont même fréquence, même phase et même direction de propagation que ceux du rayonnement excitant. En d’autres termes, au lieu de partir en ordre dispersé en perdant de l’énergie, les photons sont tous « les mêmes », rangés en ordre de bataille, produisant une lumière dite cohérente, à l’énergie amplifiée, monochromatique d’une grande pureté spectrale, au faisceau très concentré, très fin, très directionnel.
Les utilisations du laser sont si nombreuses qu’il est évidemment impossible de les citer. Juste retour des choses, le laser a servi à tester la validité de la physique quantique (les travaux d’Alain Aspect). Il est également au cœur de la technologie des atomes ultrafroids. Sans le laser et la « pression de radiation » qu’il induit, on ne pourrait pas descendre jusqu’aux confins du froid absolu (moins 273 degrés Celsius).
A quoi ça sert, direz-vous, de refroidir les atomes ? A mille et une choses. Par exemple à obtenir une précision inégalée dans la mesure du temps qui s’écoule, mesure indispensable aujourd’hui avec les raffinements de certaines technologies. Quand le laser refroidit les atomes, donc les ralentit, on peut mesurer avec une extrême finesse la fréquence de l’atome dans une transition de phase entre deux niveaux d’énergie, ce qui est le principe des horloges atomiques. Grâce au grand froid obtenu par laser, l’horloge la plus précise au monde est celle de l’Observatoire de Paris. Elle fournit un top toutes les secondes avec une exactitude de dix puissance moins quatorze. En d’autres termes, au bout de trois millions d’années, l’erreur accumulée par l’horloge serait inférieure à une seconde.
Dans d’autres domaines de précision, l’envoi d’un faisceau laser sur la lune par exemple permet de mesurer non seulement la distance Terre-Lune au millimètre près mais de calculer l’éloignement progressif de notre cher satellite… jusqu’à ce que nous le perdions ?!
D’autres applications du laser sont plus… violentes. Le rayon de la mort de la science-fiction est une réelle possibilité, qui a notamment été étudiée au Laboratoire Livermore de Californie. Un laboratoire créé pour concurrencer, ou compléter, les travaux du laboratoire de Los Alamos, « père » de la bombe atomique. Un certain nombre des travaux du Livermore sont couverts par le secret défense. L’une des expériences les plus célèbres de ce laboratoire a consisté à disposer en cercle une impressionnante série de lasers de puissance concentrant leurs rayons sur un unique point central de taille minuscule, pour obtenir des températures qui sont plusieurs fois supérieures à celle du cœur du soleil.
Mais quand on pense laser, la première application qui vient à l’esprit concerne la médecine, et notamment les opérations des yeux. En « chauffant » telle ou telle partie de l’œil, on peut dissoudre un point malade ou au contraire recoller une rétine. On se demande évidemment comment un tel rayon, un « bistouri au laser », peut chauffer un point précis et minuscule sans faire des dégâts autour. L’explication tient en trois points :
D’abord, le pinceau lumineux du laser est d’une exceptionnelle finesse.
Ensuite, il est concentré sur le point à atteindre par une lentille. Nous avons tous joué à concentrer, grâce à une loupe, les rayons du soleil sur une feuille de papier, pour la noircir et l’enflammer. Et nous avons constaté que la lumière se compactait en un point précis avant de se redisperser, et qu’il était important de trouver la bonne distance entre la loupe et la feuille de papier. Au-delà ou en deçà du point focal, ça ne marche pas. La lentille qui concentre le rayon laser fonctionne de la même manière. Il fait très chaud… juste sur le point focal, mais ni avant ni après. D’où la nécessité, lors des opérations de l’œil, d’assujettir la tête du patient pour lui interdire tout mouvement.
Enfin, troisième paramètre : la lumière laser dirigée sur la zone oculaire à soigner est envoyée, non pas en continu, mais par impulsions. Entre les impulsions, séparées de quelques dixièmes ou centièmes de seconde, la chaleur créée prend le temps de diminuer, ce qui l’empêche de se diffuser alentour.
En médecine, le laser n’a pas fini de répandre ses bienfaits thérapeutiques. Mais le laser a eu tôt fait de trouver une ennième utilisation, cette fois dans le domaine de l’art. Sa finesse, sa puissance, la variété actuelle des couleurs de ses pinceaux (on vient même de mettre au point des lasers polychromatiques ou en lumière blanche), permettent de « peindre » en lumière les façades de nos monuments. C’est d’ailleurs à de pareils spectacles, assortis des derniers développements techniques du laser, que les organisateurs du cinquantenaire de l’invention du laser vont nous convier tout au long de l’année 2010.
Fête du laser, fête de lumière… En conclusion, invitons le lecteur à se rendre sur le site français (
Les 50 ans du laser), qui donne le calendrier des manifestations. Voici également une adresse email :
contact@50ansdulaser.fr.
