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Lasers à infrarouge : des applications tous azimuts à portée de main

Omniprésent aujourd'hui, le laser fête ses 50 ans. Fondé sur un principe établi par Einstein en 1917, il continue plus que jamais à faire l'objet d'innovations. La preuve avec le laser à cascade quantique qui réconcilie enfin la lumière laser avec l'infrarouge.

Le laser à cascadeLe laser à cascade est formé de nombreuses couches minces de semi conducteurs. Leur épaisseur détermine la longueur d’onde de la lumière émise. Cette image montre en haut, très fortement grossies, quelques unes de ses couches. En bas de l’image, le laser.


© Fonds National Suisse pour la Recherche Scientifique

Un demi siècle et pas une ride ! Représentant un marché annuel de 6 milliards de dollars, la technologie laser affiche une santé éblouissante. C’est bien simple, le rayon cher à la science-fiction a envahi toutes les strates de notre quotidien. Au premier rang desquelles l’information, où il est indispensable aussi bien pour assurer le transfert d’informations d’un continent à l’autre par fibre optique, que pour lire ou graver CD et DVD. A la maison donc. Mais aussi au supermarché, dans les cabinets médicaux ou encore dans l’industrie, où le laser sert à découper ou souder avec une précision diabolique.
De façon amusante, c’est pourtant par la petite porte que cette technologie devenue indispensable, a fait son apparition. Plus précisément en 1960, dans un modeste laboratoire de Malibu, en Californie. A l’époque, son inventeur, Theodore Maiman, a d’abord vu son invention être qualifiée de banale par la revue scientifique à qui il l’avait soumise !


Découverte fondamentale


Portrait de Theodore MaimanMaiman Theodore Harold, physicien et ingénieur américain, inventeur du laser en 1960. Décédé en 2007, il a été nominé à deux reprises pour le Nobel qu’il n’obtiendra finalement pas.
© Matteis / LookatSciences
 

Ce jeune physicien venait alors de réaliser expérimentalement un programme théorique mis au point dans les années 1950 par Arthur Schawlow et Charles Townes, de l’Université Columbia. Ces deux futurs prix Nobel s’étant eux-mêmes inspirés d’une découverte fondamentale faite par Einstein en 1917. Toujours est-il qu’au moment où le scientifique californien annonce au monde sa découverte, personne n’a la moindre idée de ce à quoi elle pourrait servir. Les temps ont bien changé !
Pour autant, si le laser fait désormais figure de technologie parfaitement maîtrisée, en réalité c’est encore un objet de laboratoire aux nombreuses facettes inexplorées. La preuve avec le laser dit "à cascade quantique". Inventé en 2002, il offre pour la première fois, la possibilité de développer des lasers émettant une lumière infrarouge, suffisamment flexibles pour ouvrir la voie à des applications. Petit tour d’horizon de ce nouveau continent avec Raffaele Colombelli, chercheur à l’Institut d'Electronique Fondamentale, à Orsay et spécialiste des lasers à cascade quantique.

01.Le laser : une photocopieuse à photons

Laser à photons en testUn élève de l’Ecole normale supérieur, à Palaiseau, teste un laser à photons pulsés dans l’obscurité. Comme une image d’Epinal...
© Carlos Munoz-Yague / LookatSciences


Le Soleil, une ampoule ou une bougie ont un point commun : ils émettent des photons (ou grains de lumière) dans le désordre et dans toutes les directions. Ces derniers formant de plus un sacré mélange de longueurs d’ondes, autrement dit de couleurs. La nature de la lumière laser est très différente puisqu’elle se caractérise par un rayon unidirectionnel dans lequel les photons, parfaitement identiques les uns aux autres, « défilent » de façon très ordonnée.
Pour dompter de la sorte des particules de lumière, naturellement enclines au désordre, les physiciens font appel à une étrange propriété de la lumière et des atomes, découverte par Einstein en 1917 : l’émission stimulée. Lorsque que l’on fournit aux électrons d’un atome un petit surplus d’énergie, ce dernier entre dans un état dit excité. Soit l’atome se désexcite spontanément, en émettant un photon. Soit il est désexcité, par un autre photon, le photon qu’il émet étant alors en tous points identique à ce photon "désexcitateur". C’est ce que l’on appelle l’émission stimulée. Si cette réaction peut se produire un grand nombre de fois, on peut obtenir une collection de photons identiques (même “couleur” ou longueur d’ondes) se propageant ensemble dans la même direction. C’est le rayon laser.

"Amplifier le signal"

Voilà pour le principe à la source du laser. Mais pour que la photocopieuse à photons devienne réalité, Charles Townes, dans les années 1950, imagine un moyen d’amplifier l’émission stimulée. Comme l’explique Raffaele Colombelli, "pour engendrer un effet laser, il faut un milieu dit actif, c’est-à-dire un matériau dont on excite les atomes, par exemple avec un courant électrique. Quand ceux-ci se désexcitent, ils émettent des photons qui à leur tour, vont désexciter d’autres atomes, par émission stimulée. Et des photons, tous identiques, commencent alors à envahir le milieu. Reste à amplifier le signal, ce que l’on fait en plaçant le milieu actif dans un résonateur. Typiquement entre deux miroirs qui réfléchissent les photons dans un sens puis dans l’autre, dans le milieu actif. Si l’un des deux miroirs est légèrement transparent, une partie des photons s’échappe du dispositif, c’est l’effet laser ! "
Historiquement Theodore Maiman a utilisé un cristal de rubis, obtenant un laser rouge. Mais aujourd’hui, le milieu actif peut aussi bien être solide, liquide ou gazeux. Si bien qu’il existe des lasers d’à peu près toutes les couleurs, y compris dans la partie du spectre de la lumière invisible pour les yeux.
Seule zone non explorée jusqu’à maintenant, l’infrarouge, pour laquelle les physiciens n’avaient pu trouver aucun milieu actif facile d’utilisation. Pourtant, les chercheurs connaissaient par avance les utilisations possibles d’un laser à infrarouge. Il faut savoir que chaque substance absorbe la lumière à des longueurs d’ondes différentes. Et comme le précise Raffaele Colombelli, "c’est dans l’infrarouge, entre 3 et 10 microns, que cette absorption est la plus forte." En envoyant un faisceau de lumière laser infrarouge dans un échantillon de matière, on peut ainsi en déduire ses différents composants. Une perspective forte pour les scientifiques.

02.Cascade quantique : et le laser infrarouge fut !

Une des applications : le laser Aujourd’hui, les utilisations du laser sont multiples. Ici, une patiente se fait enlever quelques rides sur le visage grâce à un laser hélium-néon.
© Hubert Raguet / LookatSciences
Pour réaliser un laser infrarouge, les chercheurs ont donc d’abord mis l’accent sur les lasers dits à sels de plomb. Mais, encombrants et nécessitant pour fonctionner d’être réfrigérés à très basse température, ils n’ont jamais franchi les portes du laboratoire.
Tout a changé en 2002 avec l’apparition des lasers à cascade quantique. Il s’agit d’un proche cousin du laser à diode (émettant dans le visible), présent dans tous nos lecteurs de CD, ainsi que dans les caisses enregistreuses pour la lecture des codes barres. Son succès est notamment dû à sa toute petite taille : quelques centaines de microns de long sur quelques microns de large !

"Entre 3 et 300 microns"

Sauf que si le milieu actif d’un laser à diode est une sorte de sandwich de couches ultra minces de différents matériaux, le laser à cascade quantique est au sens propre un mille-feuilles nanométrique composé d’environ 2 000 couches d’à peine 10 nanomètres chacune (la taille de quelques atomes) ! "Pour les électrons qu’il contient, ce matériau constitue une sorte d’échelle, précise Raffaele Colombelli. Une fois ces particules excitées par un courant électrique, elles sont forcées de descendre les échelons les uns après les autres – d’où le nom de cascade – en émettant à chaque fois un photon." Or ajoute le physicien, "en ajustant l’épaisseur des couches, on peut ajuster la longueur d’onde d’émission entre 3 et 300 microns, ce qui correspond au domaine infrarouge ! "
L’idée que ce type d’assemblage permettrait la réalisation de lasers dans ce domaine du spectre remonte aux années 1970. Mais il a fallu attendre le début des années 1980 pour qu’apparaisse la technique dite d’épitaxie, par laquelle on peut structurer un matériau en couches ultra minces, en déposant les atomes qui le constituent quasiment un par un. Et 15 ans de plus pour que cette technique soit parfaitement maîtrisée. Désormais, les lasers à cascades quantiques sont une réalité, ouvrant la voie de l’infrarouge aux applications. Et les idées ne manquent pas !
 

03.Des applications tous azimuts

Laser à cascade quantiqueLaser à cascade quantique monté sur son embase. Les applications visées : la spectroscopie moléculaire, la détection de gaz polluants ou encore les communications optiques directes.
© CNRS Photothèque / PERRIN Emmanuel
Première idée d’utilisation pour les lasers à cascade quantique : la détection de particules polluantes dans l’air, même lorsque celles-ci sont présentes à l’état de trace. En effet, c’est bien dans l’infrarouge que se trouvent les plus belles "empreintes digitales" de la plupart des molécules. Ainsi, concrètement, en envoyant un faisceau de lumière laser infrarouge dans un échantillon, et en analysant la manière dont l’intensité est atténuée en fonction de la fréquence de l’onde lumineuse, on peut déduire ses composants. Une technique qui pourrait aussi permettre l’analyse en temps réel d’une chaîne de production pharmaceutique ou alimentaire afin de déterminer si les produits sont conformes en termes de contenus.

Téraherz

Aux longueurs d’ondes plus élevées, typiquement entre 100 et 300 microns, se situe le domaine des ondes dites térahertz (des millions de millions d’hertz). Comme les rayons X, elles peuvent traverser la peau et les vêtements, mais sans aucun danger. "Sur cette thématique, nous mettons actuellement en place une collaboration avec un laboratoire à Bordeaux, détaille Raffaele Colombelli. Notamment pour le développement de techniques d’imagerie médicale." Sans oublier que du fait de leur importante longueur d’onde, les lasers à cascade quantique devrait permettre des communications sans fil cent fois plus rapides que les réseaux wifi actuels.
Seul hic concernant les ondes térahertz, elles nécessitent des lasers à cascade quantique ne fonctionnant qu’à une température de – 100 °C. "Ce qui interdit pour l’heure une utilisation à l’échelle industrielle", admet le physicien. Qui néanmoins complète : "Je ne vois aucune limitation fondamentale empêchant que l’on puisse à terme faire mieux. Notamment en raffinant la structuration du matériau actif." Comme quoi la technologie laser est encore loin d’avoir livré toutes ses possibilités. Et n’a pas fini de coloniser notre quotidien !

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