Pendant six décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont transformé le plus bref éclair de lumière laser en impulsions ultrarapides qui ont un impact puissant. Rebecca Pool de l'ESCI s'entretient avec le lauréat du prix Nobel, Professeur Gérard Mourou, pour en savoir plus.

Quand le physicien américain, Théodore Maiman, observé le premier éclair de lumière rouge foncé du laser rubis qu'il avait construit, il n'avait probablement pas réalisé qu'il venait de changer le monde. C'était en mai 1960 :à la fin de l'année, son dispositif serait répliqué dans de nombreux laboratoires, et dans les décennies à venir, les lasers seraient utilisés dans les télécommunications, traitement des matériaux, chirurgie des yeux et bien plus encore. Le premier appareil simple et élégant de Maiman était basé sur des concepts laser qui rebondissaient dans le monde de la recherche depuis un certain temps. Dès 1917, Albert Einstein avait découvert que les électrons dans les atomes pouvaient être excités pour émettre des cascades de photons, dans un processus connu sous le nom d'émission stimulée.

Dans les années 1950, Pionniers du laser basés aux États-Unis, Charles Townes des Bell Labs, et Arthur Schawlow de l'Université Columbia, avait développé des « masers », dispositifs similaires aux lasers mais produisant des micro-ondes et des ondes radio au lieu de la lumière visible. Et à la fin de cette décennie, Schawlow, Townes et d'autres physiciens étaient occupés à concevoir des versions optiques du maser, bientôt surnommé 'laser'. Mais c'est Maiman qui a en fait produit le premier laser fonctionnel. Laser est un acronyme pour « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ». Pour réaliser cet effet, Maiman a construit un appareil qui comprenait un court, tige de rubis avec une extrémité argentée et une extrémité partiellement argentée avec un petit trou.

La tige a été placée dans un brillant, spirale, lampe de poche au xénon, que Maiman utilisait pour illuminer intensément et stimuler les électrons du rubis pour émettre des photons. Ces photons pourraient alors rebondir entre les miroirs d'extrémité de la tige, excitant plus d'électrons pour émettre des photons, jusqu'à ce que les photons s'échappent de la tige comme un court, éclatement serré de lumière laser cohérente. Le laser rubis de Maiman a émis des impulsions rouges profondes de lumière laser, mais bientôt, les physiciens du laser utiliseraient d'autres solides, ainsi que les gaz, colorants liquides, ions, des vapeurs métalliques et éventuellement des semi-conducteurs pour produire des impulsions et des faisceaux continus de lumière laser.

Au début des années 1960, les lasers faisaient déjà leur apparition sur le marché commercial via des sociétés telles que Perkin-Elmer et Spectra-Physics. Et surtout, les appareils étaient déjà utilisés pour détruire les tumeurs rétiniennes, souder des ressorts aux montres et plus encore. Le potentiel des lasers n'a pas été perdu pour le physicien du laser alors en devenir, Gérard Mourou, qui étudiait pour son doctorat. à Paris VI en 1973. Comme il le raconte à l'ESCI :« Quand j'ai commencé mon doctorat, mon superviseur venait de dupliquer le laser Maiman dans son laboratoire. J'étais tellement intéressé par cela... et aussi très enthousiasmé par ses nouvelles applications, " il ajoute.

Au début des années 1970, le verrouillage de mode laser avait été inventé, permettant de produire un flux répétitif d'impulsions laser intenses et courtes. Surtout, ces courtes impulsions signifiaient que les chercheurs pouvaient désormais étudier les réactions physiques et chimiques comme jamais auparavant. Comme le précise Mourou :« Je voulais étudier comment les atomes, molécules et très petits objets déplacés, J'essayais donc de produire des impulsions très courtes à partir de lasers."

Cependant, la physique des lasers avait atteint un barrage routier. Ce développement de court, les impulsions laser n'avaient pas été accompagnées d'une forte augmentation de l'énergie par impulsion, ou puissance de crête. Tandis que le petit, impulsions nanojoules de ces impulsions courtes, les lasers à mode verrouillé pourraient être amplifiés un million de fois au niveau du millijoule, toute amplification plus importante détruisait les composants de l'amplificateur et du laser. Les chercheurs pourraient produire des lasers à plus haute énergie sans les endommager en augmentant le diamètre du faisceau laser, mais une telle configuration exigeait des installations laser massives que seuls les instituts de recherche nationaux pouvaient se permettre.

Mais Mourou avait une solution :l'amplification des impulsions sonores. Travaillant avec son élève, Donna Strickland, il a conçu un processus pour étirer la courte impulsion laser dans le temps, à l'aide d'un réseau de diffraction, pour réduire sa puissance de crête. Cette lumière moins puissante pourrait ensuite être amplifiée en toute sécurité à des énergies plus élevées sans endommager les composants laser, puis recompressée à sa durée d'origine avec un autre réseau. Le résultat final était une impulsion puissante et aucun dommage laser. En 1985, Mourou et Strickland avaient produit un court métrage à couper le souffle, impulsion de deux picosecondes avec une énergie relativement modeste de 1 millijoule. Ils ont rapidement généré une impulsion d'une picoseconde encore plus courte, qu'à 1 joule, avait 1000 fois plus d'énergie. L'amplification des impulsions chirpées a été bel et bien démontrée et des décennies plus tard, ils recevraient le prix Nobel de physique 2018 pour leur invention.

Depuis son développement, l'amplification des impulsions chirpées est devenue la norme dans tous les lasers à haute intensité, et Mourou a utilisé la technique pour développer des impulsions laser de plus en plus courtes avec des énergies plus élevées et des puissances de crête toujours plus élevées. Ultra-court, des impulsions laser intenses ont été créées dans des laboratoires du monde entier, permettant aux chercheurs de prendre des images de processus en une fraction de seconde au niveau moléculaire, et étudier des événements incroyablement rapides, y compris la photosynthèse et le mouvement des électrons dans les atomes et les molécules.

En effet, des physiciens de l'Université de Munich ont récemment enregistré un électron s'échappant d'un atome d'hélium, un événement qui se déroule en une seule zeptoseconde, ou un trillionième de milliardième de seconde. « L'obturateur de votre appareil photo fonctionne en une milliseconde, mais ces courtes impulsions laser sont désormais mesurées en [au moins] un millionième de milliardième de seconde, " dit Mourou. " Avec de tels lasers à ultra-haute intensité, nous pouvons étudier la physique subatomique, y compris le noyau, et je suis également très enthousiaste à l'idée d'étudier les fluctuations d'énergie infiniment petites dans le vide."

Mais au-delà de la capture incroyablement rapide, événements atomiques et subatomiques, la haute intensité du laser a également été exploitée pour découper ou percer avec précision des éléments dans une gamme à couper le souffle de matériaux biologiques et artificiels. Par exemple, l'amplification des impulsions chirpées est utilisée depuis longtemps en chirurgie oculaire pour ouvrir le cristallin sans endommager les tissus environnants, et aussi pour cautériser les vaisseaux sanguins.

La méthode est également largement utilisée pour graver des piqûres dans les disques optiques, pour le stockage de données, usiner le verre de protection utilisé dans les téléphones portables, et modeler les surfaces des pièces de précision pour les batteries, implants et plus.

En effet, Dr Santiago Miguel Olaizola, du Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas (CEIT) au Pays Basque, Espagne, a exploité des lasers à impulsions ultracourtes pour développer des processus permettant de définir de tels motifs et textures - connus sous le nom de structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) - à des emplacements précis sur les surfaces. En tant que partenaire clé du projet européen, Laser4surf, Olaizola, aux côtés de collègues, a l'intention de développer un système pour amener LIPSS à la production de masse. "La technologie laser ultrarapide pour la fabrication de pointe a mûri très rapidement au cours des quinze dernières années, et est passé du laboratoire aux usines et aux entreprises, " dit-il. " Mais nous aimerions maintenant développer et intégrer davantage les processus afin de pouvoir créer ces petites structures de surface très rapidement et facilement. "

L'« instrument tout-en-un » comprendra trois caractéristiques clés; un module optique, unité de surveillance et plate-forme logicielle. Le module optique représente le cœur du système et contrôlera les paramètres laser tels que la puissance laser, profil du faisceau et longueur d'onde. Pendant ce temps, l'unité de surveillance en ligne surveillera les propriétés des motifs de surface au fur et à mesure de leur création. Et la nouvelle plate-forme logicielle permettra aux utilisateurs industriels de sélectionner les paramètres de processus en fonction du matériau à modeler.

"Avec l'unité de surveillance, nous serons en mesure de suivre tout changement inattendu pour savoir si, dire, quelque chose est arrivé au laser, " explique Olaizola. " Et les outils logiciels permettront à l'utilisateur de choisir, par exemple, la profondeur des structures de surface et ajuster l'instrument pour régler les paramètres laser pour cela, sans avoir besoin de comprendre en profondeur le processus."

Un prototype est désormais prévu pour début 2020, et sera utilisé pour créer le LIPSS dans les batteries avancées, les implants dentaires et les codeurs linéaires qui fournissent un retour de position dans les machines-outils et les systèmes d'automatisation. "Nous voulions démontrer le système sur une combinaison de différentes technologies, " souligne Olaizola. " Les batteries sont très demandées et produites en masse, les implants dentaires sont une application sociale importante et les codeurs linéaires nécessitent un usinage très précis."

Selon Olaizola, le prototype Laser4Surf reposera dans un premier temps sur la basse énergie, lasers à impulsions ultracourtes qui n'utilisent pas l'amplification d'impulsions modulées de Mourou et Strickland. Mais à un stade ultérieur, cela va changer. "L'amplification des impulsions chirpées vous permet d'avoir plus d'énergie dans chaque impulsion laser, qui permet un traitement plus rapide des matériaux, " dit-il. " La vitesse va être si importante dans les futures applications LIPSS; une fois la production de masse établie, nous n'aurons qu'à fabriquer des produits de plus en plus vite."