Le laser : la lumière mise au pas
Annoncé par une idée d'Einstein en 1917, réalisé par Theodore Maiman en 1960, le laser est partout : dans les lecteurs, les ateliers, les blocs opératoires, et jusque sur la Lune. Qu'a-t-il de si particulier ?
Le 16 mai 1960, aux laboratoires de recherche Hughes, en Californie, Theodore Maiman éclaire un petit cristal de rubis synthétique, long de deux centimètres, avec une lampe flash. Il en sort un faisceau rouge d'une pureté jamais vue, à la longueur d'onde de 694,3 nanomètres. Le premier laser vient de fonctionner. Il est présenté à la presse le 7 juillet 1960 à New York. Plus de soixante ans plus tard, on en trouve dans les poches, les usines, les hôpitaux et les observatoires.
Einstein et l'émission stimulée
L'histoire commence en 1917. En réfléchissant à la façon dont la matière et la lumière échangent de l'énergie, Albert Einstein montre qu'un atome peut absorber un grain de lumière (un photon), en émettre un spontanément, mais aussi d'une troisième façon : si un photon passe près d'un atome déjà excité, il peut le pousser à émettre un second photon, identique au premier. C'est l'émission stimulée. Les deux photons ont la même couleur, la même direction et marchent du même pas.
Si chaque photon en fait naître d'autres, la lumière s'amplifie en cascade. D'où le nom : laser signifie en anglais « amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement ». En décembre 1958, Charles Townes et Arthur Schawlow décrivent dans la revue Physical Review comment construire un tel amplificateur pour la lumière infrarouge et visible ; Maiman sera le premier à y parvenir.
Deux ingrédients sont nécessaires. Il faut d'abord plus d'atomes excités que d'atomes au repos, une situation anormale qu'on appelle inversion de population : on l'obtient en « pompant » de l'énergie dans le matériau, avec la lampe flash dans le laser à rubis. Il faut ensuite deux miroirs face à face, dont l'un laisse passer une petite partie de la lumière : les photons font des allers-retours, s'amplifient à chaque passage, et une fraction s'échappe en un faisceau.
Une lumière pas comme les autres
Une ampoule émet dans toutes les directions un mélange de couleurs, comme une foule qui parle en même temps. Le laser, lui, est un chœur à l'unisson. Sa lumière est presque d'une seule couleur, elle part dans une direction très précise et s'étale à peine, et ses ondes restent en phase : on dit qu'elle est cohérente. Ces trois qualités permettent de concentrer une énergie considérable sur une très petite tache, ou au contraire d'envoyer un faisceau très loin sans qu'il se disperse.
Et sur Terre ?
Les usages se comptent par milliers. Dans les lecteurs de disques, une diode laser lit les minuscules creux gravés sur le support. Dans l'industrie, les lasers à gaz carbonique de quelques centaines à quelques milliers de watts découpent des tôles. Les télécommunications reposent sur des lasers qui envoient la lumière dans les fibres optiques.
La médecine en a fait un instrument de précision. Dans la chirurgie LASIK, qui corrige notamment la myopie et que décrit l'agence américaine du médicament (FDA), un laser excimère piloté par ordinateur envoie des impulsions ultraviolettes qui vaporisent une fine couche de la cornée, ce qui en modifie la courbure de façon permanente.
Un fil de lumière jusqu'à la Lune
Le 21 juillet 1969, les astronautes d'Apollo 11 ont laissé sur la Lune un panneau de rétroréflecteurs : des coins de cube en verre qui renvoient la lumière exactement d'où elle vient. Apollo 14 et 15 en ont déposé d'autres, et deux robots soviétiques Lunokhod en portaient aussi. Depuis la Terre, des observatoires tirent des impulsions laser vers ces cibles et chronométrent leur retour.
L'exercice est vertigineux. Le faisceau, si fin au départ, mesure plusieurs kilomètres de large en arrivant sur la Lune, et sur des centaines de millions de milliards de photons envoyés, seule une poignée revient au télescope. En France, la station de l'Observatoire de la Côte d'Azur, près de Grasse, utilise un télescope de 1,5 mètre et des impulsions vertes et infrarouges. Ces mesures donnent la distance Terre–Lune à quelques millimètres près. Elles ont montré que la Lune s'éloigne de 3,8 centimètres par an, qu'elle possède un noyau fluide, et elles ont permis de tester la théorie de la gravitation d'Einstein.
Pour Anthropolaris, le laser est l'outil central : pousser une voile vers Alpha du Centaure exigerait de faire travailler ensemble un nombre immense d'émetteurs, ce qui suppose d'abord de faire chuter le prix de chaque watt de lumière cohérente (voir la marche B-LGT-05), puis de les accorder en un seul faisceau (voir la marche B-LGT-15).
Du cristal de rubis de 1960 aux réseaux de lasers de demain, le principe n'a pas changé : faire marcher les photons au pas. Ce qui reste à inventer, c'est la manière de le faire à une échelle et à un coût encore jamais atteints.