Le laser : invention révolutionnaire

aux applications innombrables !

par Hichem Guerboukha
 

Hichem Guerboukha, doctorant à l'École Polytechnique de Montréal en Génie physique

Hichem Guerboukha, doctorant à l'École Polytechnique de Montréal en Génie physique

En cette année 2015, le monde célèbre les 55 ans du laser. Plus précisément, on célébre l’apport du physicien Theodore Maiman qui, le 16 mai 1960, fut le premier à projeter un faisceau de rayons lumineux rouge sur le mur de son laboratoire du Hughes Research Labs à Malibu en Californie. Le premier exemple expérimental de la lumière amplifiée par émission stimulée (Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation, Laser) venait de voir le jour. Or, le concept d’émission stimulée fut introduit par Albert Einstein des dizaines d’années auparavant. Genèse d’une invention révolutionnaire aux applications innombrables.

En 1917, Albert Einstein propose le concept d’émission stimulée, dans lequel une inversion de population d’électrons permet de générer de nouveaux rayons lumineux cohérents les uns avec les autres. Il faudra attendre jusqu’en 1940 pour qu’un jeune physicien russe du nom de Valentin Alexandrovich Fabrikant énonce, dans sa thèse doctorale, les conditions nécessaires pour qu’une amplification par émission stimulée puisse se produire. Ses tentatives expérimentales ne furent cependant pas fructueuses. 

Puis, en 1958, Arthur Schawlow et Charles Townes publient un article dans la prestigieuse revue Physical Review sur la possibilité de faire un laser infrarouge avec du potassium chaud. Bien qu’il sera démontré plus tard qu’il n’est pas possible techniquement de réaliser un tel laser, la course au laser venait de prendre de l'intensité.

À cette époque Maiman était en train de finaliser ses recherches sur le maser, technologie aujourd’hui presque totalement désuète, sorte de laser aux fréquences micro-ondes. La compétition était forte avec les plus importants laboratoires américains et soviétiques qui avaient réussi à accaparer la plupart des fonds publics. Maiman ne réussit qu’à obtenir 50 000$, un technicien à temps partiel et neuf mois pour effectuer ses recherches sur le laser. Pour lui, il fallait que le design soit simple, peu coûteux et utilise des composantes déjà disponibles. De plus, il avait une connaissance approfondie des propriétés optiques du rubis synthétique qu’il considérait déjà sérieusement comme un matériau générateur de laser.

En septembre 1959, Maiman assista à une conférence donnée par Townes où ce dernier ridiculisa l’idée d’utiliser le rubis pour générer le laser. Cependant, comme le fera remarquer plus tard Maiman dans ses notes, Townes n’appuyait pas sa démonstration par un quelconque calcul et n’était pas entré dans les détails techniques. 

Loin d’être découragé, Maiman s’attela à la tâche et décida d’utiliser un cristal de rubis court de deux centimètres de longueur. Pour pomper le milieu, il sélectionna la plus puissante lampe photographique de l’époque, celle de General Electric. Le 16 mai 1960, aidé de son étudiant à la maîtrise, il installa une source de voltage et augmenta graduellement la différence de potentiel aux bornes du cristal par incrément de 50 V. 

À partir de 500 V, ils observèrent de la fluorescence rouge dans le rubis. Et à 950 V, la mesure s’intensifia rapidement et un faisceau rouge se projetait sur le mur. Le premier laser venait d’être techniquement réalisé. Afin de s’assurer qu’il avait produit un laser, Maiman mesura le spectre et confirma qu’une seule longueur d’onde avait été excitée.

Très rapidement, le 22 juin, Maiman soumit ses résultats au Physical Review. L’éditeur Samuel Goudsmith, pensant avoir eu affaire à un énième article sur les masers, lui conseilla de publier ses résultats dans un journal de physique appliquée. Il n’avait pas saisi l’importance de la découverte. Non découragé, Maiman se retourna vers Nature et soumit un article qui fut finalement publié le 6 août 1960. 

D’à peine une page et demie, l’article de Maiman est l’élément déclencheur d’une série de découvertes et de recherches dans une quantité incroyable de domaines de la science et du génie. En ce sens, en 2003, Townes écrivit qu’il s’agit sans doute de l’article le plus important au prorata des mots de tous les articles publiés chez Nature du siècle dernier.


[1] A. H. Rawicz et N. Holonyak, "Biolographical memoir of Theodore Maiman", http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/maiman-theodore.pdf, National Academy of Science, 2014.

[2] X. Müller, "Le laser, histoire d’une découverte lumineuse », https://lejournal.cnrs.fr/articles/le-laser-histoire-dune-decouverte-lumineuse, CNRS, 2015.  

En complément, lire le post de Victor Lambin Lezzi, Le laser... Comment à ça marche ?