Le Laser: 50 ans de découverte

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Le laser n'a pas fini de nous étonner et nous sommes encore loin d'avoir épuisé toutes les possibilités que cette invention, qui a maintenant cinquante ans, offre à nous. En plus de performances qu'on peut qualifier de toujours plus extraordinaires, le champ des applications du laser ne cesse de grandir. Indispensables à notre vie quotidienne avec les lecteurs CD, DVD, Blu-Ray ou codes-barres ; irremplaçables dans l'industrie et les hôpitaux, ils permettent aussi des avancées spectaculaires de la recherche fondamentale : optique quantique, horloges ultra précises, lasers à atomes, tests de la relativité générale.
Ce livre préfacé par Charles Townes, prix Nobel et inventeur du laser, a été écrit par les meilleurs spécialistes français du domaine. Après un bref rappel des principes, cet ouvrage offre un panorama des différents types de lasers, des plus petits aux plus puissants. Il effectue un vaste tour d'horizon de leurs applications et donne un aperçu des développements les plus récents.
Fabien Bretenaker est directeur de recherche CNRS au laboratoire Aimé Cotton à Orsay et professeur chargé de cours à l'Ecole Polytechnique. Ses recherches concernent la physique des lasers, l'interaction matière-rayonnement, l'optique non-linéaire et le traitement optique des signaux radar.
Nicolas Treps est maître de conférences à l'Université Pierre-et-Marie Curie à Paris, chercheur au laboratoire Kastler-Brossel.
Ce livre a obtenu le prix Arnulf-Françon 2011 de la Société Française d'Optique. Ce prix récompense la réalisation de supports pédagogiques destinés à l'enseignement de l'Optique dans l'enseignement supérieur.
Publié le : lundi 3 décembre 2012
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Licence : Tous droits réservés
EAN13 : 9782759809332
Nombre de pages : 180
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Fabien Bretenaker et Nicolas Treps
LE LASER
Fabien Bretenaker et Nicolas Treps
Préface de Charles H. Townes
LE LASER
Cinquante ans après leur invention, les lasers continuent à nous étonner. Leurs
performances sont toujours plus extraordinaires et le champ de leurs applications ne
cesse de s’étendre. Ils sont omniprésents dans notre vie quotidienne pour les lecteurs de
CD, de DVD et de codes-barres et comme ingrédients essentiels des autoroutes de
l’information. Ils sont devenus irremplaçables dans l’industrie et les hôpitaux. Ils
permettent aussi des avancées spectaculaires de la recherche fondamentale : optique
quantique, horloges ultra précises, lasers à atomes, tests de la relativité générale. Ce livre
préfacé par Charles Townes, prix Nobel et inventeur du laser, a été écrit par les meilleurs
spécialistes français du domaine. Après un bref rappel des principes, cet ouvrage offre un
panorama des différents types de lasers, des plus petits aux plus puissants. Il effectue un
vaste tour d’horizon de leurs applications et donne un aperçu des développements les
plus récents.
Cet ouvrage a été coordonné par :
Fabien Bretenaker, directeur de recherche CNRS au laboratoire Aimé Cotton à Orsay et
professeur chargé de cours à l’École Polytechnique. Ses recherches concernent la physique des
lasers, l’interaction matière-rayonnement, l’optique non-linéaire et le traitement optique des
signaux radar ; LE
et
Nicolas Treps, maître de conférences à l’Université Pierre et Marie Curie à Paris, chercheur
au laboratoire Kastler Brossel. Ses recherches concernent les mesures de grande sensibilité, LASERl’optique non-linéaire, les propriétés quantiques de la lumière et l’information quantique.
Fabien Bretenaker
Nicolas Treps
Isbn : 978-2-7598-0517-4
19 € Préface de Charles H. Townes
www.edpsciences.org
Création graphique : Béatrice Couëdel
La collection « UNE INTRODUCTION À ... » se propose de faire
connaître à un large public les avancées les plus récentes
de la science. Les ouvrages sont rédigés sous une forme
simple et pédagogique par les meilleurs experts français.
Extrait de la publicationCollection « Une Introduction à »
dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac
LE LASER :
50 ans de découvertes
Ouvrage coordonné par
Nicolas TREPS et Fabien BRETENAKER
Préface de Charles H. Townes
17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, France
Extrait de la publicationImprimé en France.
© 2010, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf,
91944 Les Ulis Cedex A
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute
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dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des
photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation
du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35.
ISBN EDP Sciences 978-2-7598-0517-4
Extrait de la publicationAvant-propos
Cinquante ans après leur invention, les lasers continuent de nous étonner. Leurs
performances sont toujours plus extraordinaires et le champ de leurs applications
ne cesse de s’étendre. Chacun finit par oublier qu’ils sont là, présents dans notre vie
quotidienne, tant ils sont devenus des objets familiers. Pourtant il a fallu des années
d’efforts aux physiciens atomistes pour trouver le principe du laser et obtenir un
premier faisceau de lumière laser à partir d’un cristal de rubis. Depuis, des lasers de
toutes les sortes et de toutes les tailles ont été mis au point. Sans avoir l’ambition de
couvrir toutes leurs applications qui sont devenues aujourd’hui innombrables, dans
les laboratoires comme dans l’industrie, ce livre à plusieurs voix donne un aperçu
des divers aspects de l’activité qu’a engendrée le laser.
La préface a été écrite par Charles Townes, l’un des inventeurs du laser, prix
Nobel de physique en 1964. Elle retrace d’une façon très vivante les étapes souvent
mal connues et parfois cocasses de l’histoire de cette découverte qui continue de
bouleverser le panorama de la science et de l’industrie depuis un demi-siècle. Rappelons
que les succès des inventeurs américains du laser ont été préparés par les chercheurs
français travaillant à l’École Normale Supérieure autour d’Alfred Kastler, qui avait
établi les bases de physique atomique nécessaires à la compréhension de la théorie
du laser.
Après l’exposé indispensable du principe de fonctionnement du laser, chacun des
chapitres détaille différents types d’instruments, des plus grands aux plus petits, ainsi
que leurs applications. Longtemps considérés comme une solution à la recherche
d’un problème, les lasers ont progressivement pris une place prépondérante dans la
recherche et l’industrie. Une leçon à méditer... Les lasers sont d’abord devenus des
instruments irremplaçables à toute métrologie, que ce soit la télémétrie, la
vibrométrie et la gyrométrie pour le guidage des avions; aujourd’hui d’ailleurs, ce sont les
lidars qui sécurisent notre vie quotidienne, du transport aérien à la détection de la
pollution. Ils sont également devenus très vite indispensables à la médecine, à la
chimie, à la mécanique et à de très nombreux domaines. L’industrie de la machine-outil
a été révolutionnée depuis le développement des lasers de puissance pour la soudure,
la découpe, la brasure, le marquage. Au niveau du grand public, l’irruption des lasers
Extrait de la publicationdans la vie pratique s’est affirmée avec l’apparition des lasers à semi-conducteur, de
la taille d’une tête d’épingle. Les lecteurs de disques compacts permettent des
stockages d’information impensables il y a une trentaine d’années. Et surtout le réseau
Internet utilise leur très grande rapidité pour véhiculer les térabits qui font notre
nouvel univers quotidien.
Les lasers ont également permis des avancées spectaculaires de la recherche
fondamentale : optique quantique, détection des ondes de gravitation, tests de la
relativité générale et des théories cosmologiques. Les recherches sur les atomes froids,
qui ont valu le prix Nobel à Claude Cohen-Tannoudji en 1997, vont déboucher sur
des applications spectaculaires en préparation pour la navigation avec les nouveaux
lasers à atomes qui en découlent. On est bien loin d’avoir épuisé les recherches sur la
technologie des lasers et les possibilités qu’elles vont offrir. Les lasers ultraviolets et
dans le domaine X restent dans l’enfance. À l’autre bout du spectre des fréquences,
les lasers Térahertz continuent à se développer et devraient trouver de nombreuses
applications en chimie et dans le domaine de la sécurité. Les sources d’énergie du
futur utilisant la fusion thermonucléaire nécessiteront de nouvelles générations de
lasers très puissants, impliquant de nouveaux matériaux et de nouveaux concepts
d’architecture optique. Et demain, de nouvelles maladies vont pouvoir être traitées
par laser, comme la dégénérescence maculaire de l’œil, qui affecte des dizaines de
millions de personnes âgées. Bref, le laser a encore un brillant avenir devant lui.
Cet ouvrage a été écrit par des chercheurs français, tous fortement impliqués
dans des travaux qui perfectionnent ou utilisent des lasers. La liste des auteurs est
indiquée au début de chaque chapitre, ainsi que le laboratoire où ils exercent.
L’ensemble de cet ouvrage a été coordonné par deux brillants jeunes chercheurs, Fabien
Bretenaker et Nicolas Treps. Fabien Bretenaker est directeur de recherche CNRS au
laboratoire Aimé Cotton, professeur chargé de cours à l’École Polytechnique; ses
recherches concernent la physique des lasers, l’interaction matière-rayonnement,
l’optique non-linéaire et le traitement optique des signaux radar. Nicolas Treps est maître
de conférences à l’université Pierre et Marie Curie à Paris, chercheur au Laboratoire
Kastler Brossel; ses travaux portent sur les mesures de grande sensibilité, l’optique
non-linéaire, les propriétés quantiques de la lumière et l’information quantique.
Ce livre est destiné à tout public curieux de science et de technologie. Il s’adresse
en particulier aux élèves des classes terminales et préparatoires des lycées, à leurs
professeurs et aux étudiants scientifiques de tous niveaux. Il comporte une grande
diversité de thèmes, tous traités d’une façon aussi simple et pédagogique que possible,
avec de nombreux figures et schémas mais très peu d’équations. Rédigé à l’occasion
de l’anniversaire des cinquante ans du laser, ce livre a été commandité par la Société
Française de Physique et la Société Française d’Optique, dans le cadre de leur récente
association au sein de la Fédération Française de Sociétés Scientifiques, soucieuse de
4 Avant-proposcontribuer à la diffusion de la culture scientifique et de faire partager au public son
attachement aux beautés de la recherche et de la technologie.
Michèle Leduc Emmanuel Rosencher
Vice-Présidente de la Président sortant de la
Société Française de Physique Société Française d’Optique
Michèle Leduc est chercheuse au Laboratoire Kastler Brossel à l’ENS à Paris.
Elle dirige l’Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids (IFRAF).
Emmanuel Rosencher est directeur de la Branche Physique à l’ONERA et professeur
à l’École Polytechnique.
LE LASER : 50 ANS DE DÉCOUVERTES 5
Extrait de la publication7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNLes coordinateurs, les contributeurs
et les remerciements
Cet ouvrage collectif a été écrit par une quinzaine de personnes dont les noms
figurent en tête des chapitres et ci-dessous. La coordination a été assurée par
Fabien Bretenaker et Nicolas Treps, avec la complicité de Michèle Leduc et de
Michel Le Bellac.
Fabien Bretenaker Nicolas Treps
Fabien Bretenaker est directeur de recherche au CNRS. Ancien élève de l’École
Polytechnique, il a obtenu en 1992 le grade de docteur de l’université de Rennes
I pour des travaux sur les lasers en anneau avec applications à la gyrométrie. Il a
travaillé plusieurs années pour la société Sagem, notamment sur les gyromètres
optiques, avant de rejoindre le CNRS en 1994, au sein du laboratoire de Physique des
Atomes, Lasers, Molécules et Surfaces de Rennes. Depuis 2003 il travaille au
laboratoire Aimé-Cotton à Orsay, dont il est aujourd’hui directeur adjoint. Il est également
professeur chargé de cours à l’École Polytechnique. Son activité de recherche couvre
les domaines de la physique des lasers, de l’optique non-linéaire, de l’interaction
cohérente matière-rayonnement, de l’optique quantique, avec des applications allant
du domaine de l’information quantique à l’utilisation de l’optique dans les radars.
Extrait de la publicationNicolas Treps est Maître de Conférences à l’université Pierre et Marie Curie.
Ancien élève de l’École Polytechnique, il a effectué sa thèse au laboratoire Kastler
Brossel sur les propriétés quantiques des images optiques, thèse soutenue en 2001.
Il a ensuite effectué un séjour post-doctoral à l’université nationale d’Australie à
Canberra pendant lequel il a travaillé sur les protocoles d’information quantique.
Depuis 2002 il travaille au laboratoire Kastler Brossel et ses activités de recherche
sont centrées sur les propriétés quantiques de la lumière, les mesures de grande
sensibilité et l’optique non-linéaire. Il démarre actuellement un projet sur les limites
quantiques au positionnement dans l’espace-temps avec des impulsions laser.
Les contributeurs
Les personnes suivantes ont contribué à la rédaction de cet ouvrage : Mehdi Alouini,
Philippe Balcou, Claude Boccara, Christian Chardonnet, Pierre-François Cohadon,
Nicolas Forget, Sébastien Forget, Saïda Guelatti-Khélifa, Manuel Joffre, Lucile Julien,
Michèle Leduc, Serge Mordon, Isabelle Robert-Philip, Thierry Ruchon et Catherine
Schwob. Nous les remercions chaleureusement pour leur travail et leur bonne
humeur face à notre impatience.
Remerciements
Nous remercions tout particulièrement Michèle Leduc pour nous avoir fait confiance
pour la coordination de cet ouvrage, pour son enthousiasme et son aide constante.
Nous remercions chaleureusement Charles Townes pour nous avoir livré ses
souvenirs dans la préface de cet ouvrage et Emmanuel Rosencher pour avoir co-rédigé
l’avant-propos. Nous remercions également Michel Le Bellac pour ses conseils, sa
relecture et son irremplaçable expérience en matière de rédaction de livres.
Les auteurs de cet ouvrage ont bénéficié de l’aide de nombreuses personnes
et nous remercions en particulier Diane Morel pour la traduction de la préface.
Nous remercions pour leurs conseils, explications et figures notamment Christian
Bordé Benoit Appert-Collin, Alexios Beveratos, Jean-Pierre Cariou, Anthony Carré,
Jean-Pierre Chièze, France Citrini, Jean Fontanieu, Guillaume Gorju, Sinan Haliyo,
Antoine Heidmann, Vincent Josse, Pierre lemonde, John Lopez, Philippe Nicolaï,
Daniel Rugar, Laurent Sauvage, Guy Schurtz, Sylvain Schwartz et Pierre Verlot.
8 Les coordinateurs, les contributeurs et les remerciements
Extrait de la publicationTable des matières
Avant-propos 3
Les coordinateurs, les contributeurs et les remerciements 7
Préface 11
1 Qu’est-ce qu’un laser? 17
1.1 Undispositifquidélivreunfaisceaubienparticulier............ 17
1.2 L’amplificationstimuléederayonnement.............. 21
1.3 Lacavitélaser . ........................ 26
1.4 Lelaser:unprincipeunique,maisdesréalisationsvariées... 34
2 Des lasers de toutes les tailles 37
2.1 Introduction .................................... 37
2.2 Lelaserdanstoussesétats ............ 38
2.3 Deslaserspourtouslesgoûts.......................... 47
2.4 Deslasersàtoutfaire................ 58
2.5 Conclusion ................................ 64
3 L’information et la communication par laser 67
3.1 Applicationdulaserauxtélécommunicationsoptiques .......... 67
3.2 Applicationdulaseraustockageoptique.............. 73
3.3 Legyrolaser .......................... 78
3.4 LeLIDAR ....................... 82
3.5 Conclusion ........................... 85
4 Des sources de lumière ultra-brèves 89
4.1 Introduction .................................... 89
4.2 Tempsetfréquences ........... 91
4.3 Dispersiond’uneimpulsionfemtoseconde .................. 93
Extrait de la publication4.4 Schémadeprinciped’unlaserfemtoseconde . ............... 95
4.5 Optiquenon-linéaireeteffetKerroptique .................. 96
4.6 Verrouillageenphasedesmodeslongitudinaux ......... 99
4.7 Amplification.................................... 101
4.8 Productiond’impulsionsattosecondes ..........102
5 Les lasers ultra-stables et les mesures de grande précision 107
5.1 Unesourcedelumièreultra-stable ......................109
5.2 Laspectroscopielaser .................... 111
5.3 Lesprogrèsrécents ...........................114
5.4 La physique fondamentale testée par la spectroscopie laser . . . . . . . 120
5.5 Les mesures de distance et de déplacement . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6 Photons et atomes 129
6.1 Lelaser,delalumièrebienrangée?......................130
6.2 Des lasers pour les atomes froids ..............136
7 Applications médicales 151
7.1 Laseretthérapie..................................152
7.2 Laseretimageriemédicale ............160
8 Tout ce dont ce livre ne parle pas 173
Bibliographie 175
Index 177
10 Table des matièresPréface
Charles H. Townes
Professeur à l’université de Californie, Berkeley
Les principes physiques qui régissent le
fonctionnement des lasers étaient connus
edès le début du 20 siècle. En 1924,
Richard Tolman écrivait déjà « Les
molécules dans un état quantique excité
sont susceptibles de retourner à leur état
fondamental et renforcent ainsi le
faisceau principal par absorption négative
– on notera que la quantité
d’absorption négative peut être négligée pour les
1expériences d’absorption faites dans les conditions standard » . Mais la vraie
reconnaissance de l’utilité de l’amplification par absorption négative n’est intervenue que
30 ans plus tard. Par ailleurs, les lasers et différents masers existent autour de
certaines étoiles depuis des milliards d’années. Si nous avions pris soin par le passé
d’observer systématiquement le rayonnement micro-onde, nous aurions découvert
l’émission intense des masers autour des étoiles. Nous aurions probablement
compris le mécanisme de ces radiations et aurions entrepris l’étude des lasers et masers
bien plus tôt.
Dans les années 50, ma recherche portait sur la spectroscopie micro-onde des
molécules à l’aide d’oscillateurs électroniques. Ces outils, de résolution spectrale
remarquable, ne pouvaient délivrer des longueurs d’onde plus courtes que quelques
millimètres. Pourtant c’était ce régime que je souhaitais atteindre pour étudier
les nombreux spectres présents dans l’infrarouge. Après plusieurs tentatives
infructueuses dans cette direction, j’ai été choisi pour présider un comité national qui
explorerait cette voie. Nous nous sommes rendus dans de nombreux laboratoires et
1 Richard Tolman, Phys. Rev. 24, 297 (1924).
Extrait de la publicationnous avons discuté avec les chercheurs, mais sans trouver de solution. Juste avant la
dernière réunion du comité, je me suis réveillé très inquiet de notre manque de
succès. C’était une matinée ensoleillé et je suis allé m’asseoir sur un banc public. Je
songeais que, bien entendu, molécules et atomes peuvent produire de courtes longueurs
d’onde, mais j’avais préalablement écarté cette possibilité : la thermodynamique
limite l’intensité des radiations émises à un niveau déterminé par leur température.
Mais l’évidence me sauta aux yeux : les molécules et les atomes ne sont pas tenus
d’obéir à la thermodynamique. Il est en effet possible d’en avoir plus dans l’état
excité quedans l’étatfondamental.Jemetrouvais alors à l’universitédeColumbia.
Dans ce laboratoire, on cherchait à séparer différents états de faisceaux d’atomes et
de molécules et j’ai pensé à utiliser cette technique. Sortant un papier et un crayon
de ma poche, je notais quelques nombres et équations appropriés. Ça avait l’air de
marcher!
De retour à Columbia, j’ai convaincu un de mes étudiants, Jim Gordon, d’essayer
de construire ce type de système amplificateur. Je disposais de tout l’équipement
micro-onde et connaissais parfaitement les spectres micro-onde des molécules. J’ai
donc décidé de faire l’expérience avec des faisceaux de molécules d’ammoniac, pour
amplifier et produire un oscillateur à une longueur d’onde voisine d’1 cm. Avec
l’aide de Herb Zeiger, un post-doctorant, Jim Gordon travaillait depuis deux ans à
la construction de ce système quand le Professeur Kusch, directeur du département
de physique, et le Professeur Rabi, son prédécesseur, vinrent me trouver dans mon
laboratoire : « Charlie ça ne va pas marcher, et tu le sais. Tu gaspilles l’argent du
département, il faut arrêter ». Je n’étais pas d’accord et ils repartirent, très contrariés.
Environ deux mois plus tard, en avril 1954, Jim Gordon débarqua dans l’amphi où
je faisais cours et lança : « Ça marche! ». Nous nous sommes tous précipités au
labo pour voir ce nouvel oscillateur. Kusch et Rabi étaient tous deux spécialistes des
faisceaux moléculaires et lauréats du prix Nobel. Cela montre que les avancées dans
la recherche ne sont pas une pur produit de l’intelligence. Il faut savoir quitter les
chemins balisés et prendre des risques.
Il apparut plus tard que Basov et Prokhorov, en Union soviétique, travaillaient sur
uneidéeassezsimilaire.Maisnousnenoussommesrencontrésqu’aprèslamiseau
point de notre système (le leur ne fonctionnait pas encore). De nombreux Américains
et quelques Européens avaient visité mon labo et vu l’expérience en cours, mais ils
s’étaient montrés sceptiques et peu intéressés. Et je ne connaissais personne qui ait
été assez intéressé ou optimiste pour tenter de rivaliser.
Un jour au déjeuner, mes étudiants et moi avons choisi le terme maser pour
désigner ce nouveau système, acronyme de microwave amplification by stimulated
2emission of radiation . Il faut dire que l’intérêt pour ce nouvel amplificateur crût
2 Amplification micro-onde par émission stimulée de radiation.
12 Préface
Extrait de la publicationsignificativement après l’annonce de sa mise en œuvre. Ce domaine de recherche
devint stratégique et hautement compétitif.
Tout en continuant à travailler sur les masers, je passais une année sabbatique
à l’École normale supérieure, à Paris. Là, j’ai travaillé dans le laboratoire d’Alfred
Kastler, où Claude Cohen-Tannoudji, alors étudiant, Jean Cambrisson et Arnold
Honig, un de mes anciens étudiants, étaient plongés dans leurs recherches. Ces
deux derniers étudiaient la résonance de spin électronique dans un semi-conducteur
et venaient de découvrir la relaxation très lente du spin de l’électron. Incroyable!
Cela signifiait que le spin de l’électron pouvait être excité pendant un temps long
et que des masers accordables pouvaient être réalisés. Nous publiâmes ces résultats.
Ceci montre combien les interactions entre des scientifiques de domaines différents
peuvent susciter de nouvelles idées.
En Europe je rencontrai Niels Bohr et, au cours d’une promenade, il me demanda
sur quoi je travaillais. Je lui parlai du maser à ammoniac et de la fréquence
d’oscillation très pure ainsi produite. « Non, cela ne peut être vrai », dit-il. « Vous devez vous
méprendre». Je lui expliquai que oui, nous avions fait des mesures et que c’était vrai.
Mais quand nous nous quittâmes il ne me croyait toujours pas. Il devait avoir en tête
le principe d’incertitude et ne pas considérer la moyenne sur un grand nombre de
molécules. C’est étonnant de voir que même les plus grands ont parfois des idées
arrêtées qui nuisent à l’émergence des nouvelles.
Le maser était devenu un domaine de recherche très actif. Mais je continuais,
bien entendu, à m’intéresser aux longueurs d’onde plus courtes. Presque tout le
mondepensaitqu’iln’yavaitaucunechancedeproduiredetellesondes,maisaprès
quelques années sur le maser, je décidai de m’y atteler. Je pris le temps d’y
réfléchir. Ce qui m’amena à comprendre et à montrer numériquement qu’on pouvait faire
des masers opérant jusque dans les longueurs d’onde optiques. Comme je n’en avais
pas encore fait le tour, je décidai de garder cette idée pour moi. Le domaine était
en effet devenu à la mode et je savais que quelqu’un essayerait de publier en
premier sitôt cette hypothèse dévoilée. J’étais consultant aux Bell Labs, où travaillait
Art Schawlow, mon ancien post-doc, qui est d’ailleurs devenu mon beau-frère en
épousant ma petite sœur. Je lui parlai de mon idée et de la possibilité de descendre
vers les longueurs d’onde optiques. Il s’exclama : «Ah, j’y pensais justement, peut-on
y travailler ensemble?» J’acceptai évidemment. Sa contribution fut de taille : utiliser
deux plans parallèles comme résonateur. Cette idée lui vint probablement grâce au
Fabry-Perot dont il se servait pour la spectroscopie. Au départ, moi, je ne pensais
me servir que d’une cavité fermée, comme cela se faisait en micro-onde. Nous avons
décidé de publier un papier théorique avant de faire l’expérience, car le risque était
grand que quelqu’un ne publie avant nous, sitôt cette possibilité connue. Et c’est ce
que nous fîmes.
LE LASER : 50 ANS DE DÉCOUVERTES 13Avant la publication, il nous sembla judicieux de donner le brevet sur les masers
optiques à Bell Labs, qui le confièrent à leur cabinet spécialisé. Quelques jours plus
tard je reçus un coup de téléphone : pour le cabinet, la lumière ne pouvait pas servir
aux communications. Cela ne présentait pas d’intérêt pour eux et nous pouvions
déposer ce brevet nous-mêmes si nous le souhaitions. Nous savions qu’ils avaient
tort, nouvel exemple du rejet des idées nouvelles par des spécialistes. Je proposai à
Art Schawlow d’y retourner pour les convaincre. Ils finirent par accepter de déposer
un brevet, nommé Optical Masers and Communication.
Schallow et moi avons publié l’article Masers Optiques pour poser les bases du
domaine avant d’essayer de construire un prototype. Un nom évident s’est imposé
un peu plus tard, Laser acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission
3of Radiation . Suite à cette publication, nombreux furent ceux qui tentèrent de
construire un laser, y compris mes propres étudiants. Malheureusement, à cette
époque on m’a proposé un poste important à Washington en tant que conseiller
du gouvernement. Poste que j’ai accepté, bien sûr, mais qui me laissa peu de temps
pour aider mes étudiants. Ils ne parvinrent pas à construire le prototype.
Ted Maiman fabriqua le premier laser en mai 1960, à l’aide d’un cristal de rubis et
d’une lampe flash intense. Quelle idée remarquable, ce flash, pour produire au moins
une excitation temporaire. Et moi qui n’y avais pas pensé! Avec son expérience,
Maiman fit crépiter les flashes – de lumière rouge, mais aussi de la presse! Ce fut
le premier laser opérationnel, d’autres suivirent. Ainsi, celui de Mirek Stevenson et
Peter Sorokin à General Electric, puis le laser hélium-néon d’Ali Javan (un de mes
anciens étudiants), Bill Bennett et Don Herriott aux Bell Labs. Tous ces inventeurs
des premiers lasers étaient de jeunes diplômés d’universités menant des recherches
en spectroscopie. Et toutes ces inventions étaient le fait de laboratoires industriels.
Une fois son intérêt suscité, l’industrie travaille vite et avec succès!
Tant de personnes, ingénieurs et scientifiques, ont contribué à la croissance
rapide et aux très nombreuses applications des lasers! Le laser a modifié en profondeur
l’optique. Il s’est imposé dans de nombreux domaines, ce que personne n’envisageait
lors de sa mise au point. Par exemple, je ne prévoyais aucun usage médical, alors
qu’aujourd’hui c’est une de ses applications majeures. Quant à l’optique non-linéaire,
c’est une des nombreuses nouvelles créations qui en découlent. Et des lasers de
longueurs d’ondes encore plus courtes qui n’avaient pas été initialement envisagés –
rayons X ou rayons gamma – sont passés au premier plan. Pas de nouvel acronyme,
tel que xasers pour les rayons X. Ce sont tous des lasers sauf pour les micro-ondes.
Ces derniers sont toujours des masers même s’il n’y a pas de différence entre les
lasers et les masers, sauf que le nom maser est utilisé pour des longueurs d’onde
supérieures au millimètre.
3 Amplification de lumière par émission stimulée de radiation.
14 Préface
Extrait de la publicationAu départ j’étais plus spécifiquement intéressé par les utilisations scientifiques de
ce nouvel objet et je suis ravi de voir toute cette nouvellescience. J’utilise maintenant
des lasers pour mesurer la taille et la forme des étoiles. Plus d’une douzaine de
prix Nobel ont récompensé des scientifiques ayant utilisés des masers ou des lasers
comme instrument clé dans leur travail. Penzias et Wilson ont utilisé un amplificateur
maser pour découvrir le big bangàl’originedel’univers.
Les applications techniques des lasers ont, bien entendu, eu un impact encore
plus important sur notre société et notre économie que les applications purement
scientifiques. L’industrie du laser brasse maintenant des milliards et des milliards de
dollars chaque année et on peut s’attendre à ce qu’elle continue à croître rapidement.
L’histoire du laser est l’exemple parfait de l’impact de la recherche fondamentale
non seulement sur la science, mais aussi sur l’économie – impact ô combien
spectaculaire et souvent complètement inattendu. La science fondamentale est à la fois
fascinante et susceptible de contribuer considérablement au bien-être humain. Les
intéressants chapitres de ce livre en donneront bien des exemples...
LE LASER : 50 ANS DE DÉCOUVERTES 15Extrait de la publication
7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQN1
Qu’est-ce qu’un laser?
Lucile JULIEN, Professeure à l’université Pierre et Marie Curie, Laboratoire
Kastler Brossel, Paris.
Catherine SCHWOB, Maître de Conférences à l’université Pierre et Marie
Curie, Institut des NanoSciences de Paris, Paris.
C’est il y a maintenant cinquante ans, en mai 1960, qu’a fonctionné le premier
laser, un laser à rubis fonctionnant en impulsions. Celui-ci n’était alors qu’une curiosité
de laboratoire et l’on ne soupçonnait pas à quoi un tel dispositif pourrait bien servir.
D’autres modèles ont rapidement suivi, et la variété et le nombre des lasers dans le
monde ont eu une croissance extrêmement rapide. Actuellement le marché mondial
des lasers commercialisés est d’environ 6 milliards de dollars par an. Grâce aux
propriétés remarquables de la lumière qu’ils émettent, les applications des lasers n’ont
cessé de s’étendre, dans l’industrie, le bâtiment, la médecine, les télécommunications,
etc. S’ils sont nombreux dans les laboratoires de recherche, les lasers interviennent
de plus en plus dans notre vie quotidienne et rares sont maintenant les personnes
qui n’ont jamais vu un faisceau laser. Le but du premier chapitre de ce livre est
d’expliquer simplement ce qu’est un laser, quels sont ses éléments constitutifs et quel
est son principe de fonctionnement, et pour commencer en quoi les propriétés de la
lumière qu’il émet sont remarquables.
1 Un dispositif qui délivre un faisceau bien particulier
1.1 Le faisceau laser
Un faisceau laser se reconnaît au premier coup d’œil car il est différent de la
lumière ordinaire. Les physiciens disent que c’est un faisceau de lumière cohérente.
Extrait de la publicationNous allons voir comment ses propriétés le distinguent de celles de la lumière émise
par les lampes classiques. Ces lampes ordinaires sont de différents types : lampes
à incandescence, lampes à décharge (tubes fluorescents), LEDs (diodes
électroluminescentes). Mais toutes émettent leur lumière dans des directions multiples, ce qui
est bien adapté pour éclairer une pièce ou une région de l’espace, comme cela est
représenté sur la figure 1.1. Au contraire, le faisceau émis par un laser est un fin
pinceau se manifestant, lorsqu’il est arrêté par un obstacle tel qu’un mur, par une
tache brillante et presque ponctuelle.
Figure 1.1. La lumière émise par une lampe classique (a) éclaire dans toutes les directions; le laser (b)
émet un faisceau fin et directif.
Lorsqu’il se propage, même sur de grandes distances, le faisceau laser reste
bien parallèle et localisé. Cette propriété de la lumière laser s’appelle la cohérence
spatiale. Une autre caractéristique du faisceau laser, qui apparaît dans le domaine
visible, est sa couleur : une couleur souvent pure, c’est-à-dire non superposée à
d’autres couleurs, et qui fait dire qu’elle est monochromatique. Il s’agit ici d’une
deuxième propriété, appelée la cohérence temporelle.
Nous avons donc un début de réponse à la question «qu’est-ce qu’un laser?» : un
laser est un dispositif qui produit de la lumière cohérente (à la fois spatialement et
temporellement). Nous allons voir dans la suite comment cette lumière est produite
et pour commencer rappeler ce qu’est la lumière.
1.2 Qu’est-ce que la lumière?
La lumière est une onde électromagnétique, c’est-à-dire un champ électrique et un
champ magnétique couplés entre eux et qui se propagent ensemble : on parle de
e électromagnétique. Depuis le 19 siècle, on sait qu’un champ électrique qui
varie produit un champ magnétique et que de même un champ magnétique qui varie
18 Chapitre 1. Qu’est-ce qu’un laser?
Extrait de la publicationproduit un champ électrique. Les couplages entre ces deux champs, ainsi qu’avec
les charges et les courants électriques qui en sont les sources, sont donnés par
les équations de Maxwell (1831–1879) qui décrivent le comportement du champ
électromagnétique et sa propagation. Dans une onde électromagnétique, les deux
champs oscillent à la même fréquence, qui est leur nombre d’oscillations par seconde,
et l’ensemble se propage dans le vide à la vitesse c, appelée vitesse de la lumière.
La vitesse c est une constante universelle. La théorie de la relativité, développée
par Einstein en 1905, nous a appris que cette vitesse est la même pour tout
observateur placé dans un référentiel galiléen. Depuis 1983, elle a pris dans le système
d’unités internationales une valeur fixée à 299 972 458 m/s, soit environ 300 000 km/s,
à l’occasion de la redéfinition du mètre.
Si la lumière est une onde électromagnétique, le domaine des ondes
électromagnétiques est bien plus large que celui de la lumière visible. Il couvre un vaste
domaine de fréquences, représenté sur la figure 1.2, depuis les ondes radios du côté
des basses fréquences, jusqu’aux rayons gamma vers les très hautes fréquences. Le
domaine optique est au milieu de ce spectre : il s’agit du visible, encadré par
l’infrarouge d’un côté et l’ultraviolet de l’autre.
Longueur d’onde : λ (m)
3 -3 -6 -9 -1210 1 10 10 10 10
mm μm nm pmKm m
Visible
Micro-ondes Rayons X Rayons
Ondes radio Infrarouge UV gamma
6 9 12 15 1810 10 10 10 10
MHz GHz THz Fréquence : v (Hz)
Figure 1.2. Les domaines couverts par les ondes électromagnétiques.
À chaque fréquence est associée une longueur d’onde, donnée par la relation :
cλ= . Les grandes longueurs d’onde correspondent donc aux faibles fréquences
ν
et les petites longueurs d’onde aux hautes fréquences. La longueur d’onde dans le
−9visiblevade400à800nm(1nm= 10 msoit1milliardièmedemètre).Dansce
domaine, notre vision associe à chaque longueur d’onde une couleur : violet, bleu,
vert, jaune, orange, rouge, en suivant l’ordre des longueurs d’onde croissantes. Ce
sont les couleursde l’arc-en-ciel, qu’on obtient en décomposant de la lumière blanche
à travers un prisme ou une goutte d’eau.
LE LASER : 50 ANS DE DÉCOUVERTES 19
Extrait de la publicationH O
Octet, octet/s 68, 74Harmonique 29, 97, 102
Ondes gravitationnelles 127, 134Holographie 77
Ophtalmologie 48, 151Horloge 117, 146
Orbitales 39
I
P
Imagerie 160
Peigne de fréquences 101, 114, 121Impulsion 52, 89
Perçage 59Inégalités de Heisenberg 92
Pertes 31, 109Infrarouge 19
Phase 28, 79, 99, 125
Interférence 28, 74
Phillips 139
Interféromètre 126
Photon 20, 130
Photon balistique 162
K
Photon serpentile 162
Photothérapie 157
Kastler 3, 13, 48
Piégeage, piège 118, 139
Plasma 57, 65, 153
L
Pointé 135
Pointeur laser 47, 132
Laser à atomes 144
Polarisation 20, 77, 108
Laser à gaz 38
Pompe, pompage 25, 38
Laser à semiconducteur 46, 67
Pression de radiation 136
Laser à solide 42
Principe d’incertitude 92
Lidar 82
Lune 62, 130, 124
R
M Relativité 19, 121, 135, 148
Rendement 34, 110
Maiman 14, 25, 47 Réseau optique 71, 118
Marquage 59 Résonance 23, 28, 111, 138
Maser 21, 11, 148 Rétrodiffusion 82, 163
Mélasse 139
Métrologie 114, 132 S
Michelson 126, 162
Modes 28, 91, 99 Sagnac 79
Modulateur acousto-optique 122 Saturation 33
Monomode 32, 71, 109 Schawlow 13, 47
Multimode 32, 70 Seuil 31
Multiplexage 72 Soleil 51, 63, 92
Soudure, soudage 59
N Spectre 22, 53, 92, 111, 122, 162
Spectroscopie 111, 120
Non-linéaire 90, 96, 131 Spin électronique 13, 127
178 IndexStabilisation 110 Transition de phase 143
Stockage 61, 73
USynchronisation 53, 99
T Ultraviolet 19, 50, 82
Télécommunications 67 V
Terahertz, THz 19, 114
Tomographie de cohérence Verrouillage de modes 52, 99
optique (OCT) 162 Visible 19
Townes 11, 47 Vitesse de recul 136
LE LASER : 50 ANS DE DÉCOUVERTES 179
Extrait de la publication

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