Et le laser fut !

Qu’a-t-il manqué à Einstein et ses contemporains pour inventer le laser ? Une technique, essentiellement. En 1917, le célèbre physicien prédit la possibilité d’amplifier un rayonnement lumineux en dupliquant ses « grains » élémentaires, baptisés photons en 1926 et décrits aussi bien comme des ondes que comme des corpuscules. Selon le principe « d’émission stimulée » qu'il a formulé, les photons ainsi produits formeraient un faisceau de lumière cohérente, c’est-àdire composé de photons de même longueur d’onde (monochromatisme) et de même phase. Une fois vérifiée, l’hypothèse d’Einstein trouvera sa première application 43 ans plus tard avec l’invention du laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Un long accouchement
Pour produire un tel faisceau, il faut pouvoir « exciter » un grand nombre d’électrons simultanément. On ne sait pas réaliser une telle une opération à l’époque d’Einstein. C’est seulement en 1950 que les physiciens français Alfred Kastler et Jean Brossel y parviennent en éclairant de la matière avec une lumière polarisée (dont tous les photons oscillent dans un même plan) : c’est la technique du « pompage optique ».

À la même époque, une équipe américaine atypique, associant des ingénieurs qui visaient à optimiser le radar et des physiciens qui étudiaient la structure des molécules, cherche à générer un faisceau d’ondes de longueur inférieure au centimètre ; elle met au point le maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Son directeur, Charles Townes, formule alors l’idée d’un dispositif analogue capable de produire une lumière visible, mais c’est Theodore Maiman, physicien de la Hughes Aircraft Company, qui construit en 1960 le premier laser fonctionnel : un laser à rubis (un cristal d’alumine Al2O3) qui émet un faisceau de lumière rouge.

Des emplois tous azimuts

La possibilité de transporter de l’énergie dans une direction unique et concentrée en un faisceau très fin¹ intéresse rapidement les industriels : le laser se révèle capable de forer un diamant en 15 minutes quand il fallait 24 heures avec les moyens habituels. Perçage, découpe, pulvérisation, chauffage ou éclairage très localisé, les effets varient selon les caractéristiques moléculaires de la matière irradiée (inerte ou vivante), la puissance du laser et sa longueur d’onde qui dépend du matériau amplificateur utilisé (cristal, métal vaporisé, gaz ou liquide).

Le « rayon de la mort » de La Guerre des Mondes² est-il devenu réalité ? On s’enthousiasme, on extrapole. Certaines applications envisagées, comme faire fondre les dangereux icebergs, peuvent paraître saugrenues aujourd’hui encore, mais d’autres ont été réalisées depuis lors, telle son utilisation dans les télécommunications à la place de l’électricité (par fibre optique).

Le laser investit largement le quotidien : chirurgie, dermatologie, systèmes de lecture (CD, codes-barres), équipements militaires (visée, guidage de missiles), etc. Il sert aussi à réaliser des mesures de haute précision : la distance Terre-Lune est connue à 3 millimètres près en calculant le temps de trajet aller-retour de la lumière entre l’émetteur et une cible réfléchissante installée sur la Lune ; des réactions chimiques sont suivies en temps réel via une série de flashs de quelques femtosecondes (10^-15 s) qui permettent de détecter (par spectroscopie) des composés chimiques très éphémères...

Plus fins, plus énergétiques ou plus puissants, des lasers continuent d’être développés au bénéfice de l’industrie et des sciences. On sait depuis peu réaliser des faisceaux de quelques dizaines de nanomètres (10^-9 m) de diamètre seulement, tandis que le laser Mégajoule du CEA³ à Bordeaux devrait bientôt atteindre une énergie suffisante pour provoquer la fusion nucléaire de petites quantités de matière (deutérium et tritium).

1. Un laser à CO2 de 20 watts (W) utilisé pour la découpe de matériaux délivre une intensité de 4 10⁶ W/m2. À titre de comparaison, une ampoule de 100 W à filament atteint à peine 8 W/m2.

2. roman de H. G. Wells (1898)

3. Commissariat à l'énergie atomique