Le laser à gaz carbonique

03 février 1966
03m 31s
Réf. 01423

Notice

Résumé :

En 1966, la Compagnie générale d'électricité met au point un nouveau laser, de type moléculaire. De grande puissance, ce laser permet d'envisager des applications dans l'industrie et les télécommunications.

Date de diffusion :
03 février 1966

Contexte historique

Après l'invention du maser (cf. Le maser à ammoniac au Laboratoire de l'horloge atomique), la technique d'amplification par émission stimulée de rayonnement fut appliquée à la lumière. Le principe du " maser optique " ou laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fut publié par Charles Townes et Arthur Schawlow dès 1958. A la manière du faisceau de gaz ammoniac dans le premier maser, un faisceau lumineux peut forcer l'atome à redescendre de son état excité en cédant son énergie : un photon frappe un atome et deux photons en ressortent. L'intérêt de ce processus est que la lumière émise est exactement identique à la lumière incidente : les deux ondes lumineuses sont exactement en accord de phase. L'émission stimulée, prévue par Albert Einstein en 1917, produit ainsi une multiplication de photons identiques et une amplification cohérente de l'onde lumineuse.

Le principal problème à résoudre était que l'émission stimulée est en compétition avec d'autres modes d'interaction de la lumière avec les atomes, en particulier l'absorption, phénomène symétrique de l'émission de photons. L'idée statistique à laquelle les chercheurs arrivent est qu'il est besoin, pour que l'effet recherché se produise, d'une " inversion de population " d'atomes, c'est-à-dire qu'une majorité d'atomes se trouve dans un état excité de façon à ce que l'effet d'émission l'emporte sur l'effet d'absorption. Cette situation est difficile à réaliser. La première solution a été d'appliquer un fort courant électrique de façon à exciter les atomes ; l'autre à utiliser un faisceau de lumière pour les placer dans un niveau supérieur, comme sous l'effet d'une " pompe optique ", proposée par les physiciens Alfred Kastler et Jean Brossel. Pour générer une amplification suffisante, sans que un phénomène de diffraction ne se produise ou que l'amplification ne soit pas absorbée par le milieu ambiant, ce qui suscite de nombreux essais à la fin des années 1950.

Le premier laser qui a fonctionné est un laser à rubis rose, mis au pont par Theodore H. Maiman en 1960. L'excitation des atomes y résulte d'une décharge dans un tube à néon enroulé en hélice autour du cristal. Celui-ci, d'une longueur de quelques centimètres, a ses faces terminales (quelques millimètres de diamètre) planes, parallèles, et recouvertes de couches très réfléchissantes, produisant l'amplification du faisceau requise. La même année, un laser à hélium-néon est mis au point avant d'être surpassé par un laser à semi-conducteur mis au point en 1962. L'intérêt pour les lasers ne s'est pas démenti, d'autant que les applications ont été multiples, soit dans la vie courante, soit dans les industries de haute technologie ou dans la recherche. Les différentes propriétés du laser ont été mises à profit. La cohérence du faisceau lumineux permet ainsi de l'utiliser pour mesurer des distances : on utilise ainsi la possibilité de réfléchir le faisceau lumineux. C'est ainsi qu'il est utilisé pour " lire " des informations binaires sur les disques laser.

Dans les télécommunications, ce sont les propriétés ondulatoires des lasers, dont on peut moduler la fréquence, qui ont été utilisées, d'abord sur le modèle hertzien, comme il est proposé dans le document, puis par l'intermédiaire de fibres optiques. C'est la qualité de transmission par laser qui explique le formidable développement d'Internet. D'autres lasers voient leur faisceau focalisé, de façon à concentrer une grande énergie. Les capacités de perçage et de découpe des lasers à grandes énergies, comme le laser à gaz carbonique du document, sont largement exploités dans l'industrie mécanique. Des lasers de moindre puissance, mais avec les mêmes propriétés, permettent de nettoyer les oeuvres d'art, ou d'effectuer des opérations de chirurgie de grande précision, en ophtalmologie ou en dermatologie. Les chercheurs qui ont inventé le laser étaient loin d'en soupçonner les multiples applications.

L'intérêt du grand public fut pourtant éveillé très tôt aux possibilités énergétiques des faisceaux lumineux : sans revenir aux idées militaires d'Archimède, qui proposait de concentrer la lumière du soleil dans un miroir concave et le diriger vers ses ennemis, le " rayon de chaleur " de la Guerre des mondes de H. G. Wells (1898) était déjà un faisceau lumineux d'une grande énergie qui permet aux Martiens de détruire le monde. Il a été plus récemment popularisé par le " sabre-laser ", truquage réussi de la Guerre des étoiles, de George Lucas (1977).

Bibliographie :

Elisabeth Giacobino, "Les lasers", in La Physique et les éléments, Université de tous les savoirs, sd Yves Michaud, Paris, Editions Odile Jacob, 2002, pp. 149-159.

Christelle Rabier

Éclairage média

Le reportage du Journal télévisé de 20h est l'un des tous premiers d'un journaliste spécialisé dans la vulgarisation scientifique : François de Closets. Ce dernier propose, un petit documentaire qui associe des images de laboratoire à l'interview d'un chercheur. Les premières images fournissent au téléspectateur une introduction à un outil de haute technicité de façon ludique. Afin de donner des explications techniques sur la fabrication d'un faisceau laser, il associe à son propre commentaire un chercheur, qui donne autorité à son discours. Le reportage se clôt sur les applications sociales du laser expérimental et sur les perspectives stratégiques, inspirées des romans d'anticipation.

Christelle Rabier

Transcription

François (de) Closets
La France possède un nouveau recordman du monde, il s'agit d'un laser dont le rayon atteint une puissance de 300 watts lui permettant de fondre les corps les plus réfractaires. Ce laser construit par la compagnie générale d'électricité à son centre de Marcoussis émet un rayon invisible car il se situe dans l'infrarouge. L'appareil se compose d'un tube de 3 mètres de long rempli d'un mélange gazeux d'azote et de gaz carbonique. Deux miroirs ferment le tube, lorsqu'on applique une tension de 15 000 volts, le rayon laser jaillit. Le gaz contenu dans le tube devient alors fluorescent. En focalisant ce rayon, on peut atteindre des températures de plusieurs milliers de degrés, ce qui permet d'allumer sa pipe mais attention, ce briquet est dangereux. Ou bien encore d'enflammer une planche de bois. Jusqu'à présent, seuls les lasers fonctionnant par éclairs très brusques fournissaient de grande puissance. Ce nouvel appareil baptisé «laser moléculaire» permet d'obtenir un rayon très puissant de façon continue. [Monsieur Lorez], à quelles applications peut servir un tel appareil ?
Chercheur
Y a trois applications évidentes de ce laser. Tout d'abord la soudure de matériaux même y a une température de fusion extrêmement élevée. Ensuite les fusions de réfractaire ou la fabrication de cristaux synthétiques par exemple. Et ensuite le, les télécommunications, puisque la longueur d'ondes de ce laser qui est de 10 microns 6 se trouve dans une fenêtre de propagation à [...].
François (de) Closets
Une fenêtre de propagation, ça veut dire que le faisceau n'est pas absorbé... ?
Chercheur
Le faisceau n'est pas absorbé ou en fait relativement peu parce qu'il y a quand même du CO2 dans l'atmosphère et on peut envisager des transmissions à très grandes distances dans l'atmosphère et évidemment à l'extérieur.
François (de) Closets
C'est-à-dire qu'on aurait des lasers qui émettraient des rayons et de proche en proche, des stations relaieraient...
Chercheur
Par exemple, oui...
François (de) Closets
... ces rayons. Vous pensez qu'il faudrait combien de temps avant de faire les premières tentatives de transmission en vraie grandeur.
Chercheur
Les premières tentatives peuvent être immédiates, on peut même dire qu'elles ont pratiquement commencé.
François (de) Closets
Jusqu'à présent, on considérait qu'avec des lasers à gaz, on ne devait pas à peu près dépasser 1 watt. Tout d'un coup en moins d'un an, on est passé du watt à la centaine de watts, où allez-vous vous arrêter ?
Chercheur
Et bien, je n'en sais rien, tout ce que je peux vous dire, c'est que nous ne voyons pas actuellement de limite théorique à l'augmentation de cette puissance. Il est possible qu'il y ait des limites pratiques dans la fabrication, notamment, des miroirs qui sont quand même des surfaces assez fragiles ou dans les dimensions des lasers mais il semble que l'on puisse avoir des puissances bien supérieures à ce que l'on obtient actuellement.
François (de) Closets
Mais si vous obtenez ces puissances bien supérieures, alors le rayon laser devient réellement une arme possible.
Chercheur
Et bien, oui ou du moins, il se rapproche effectivement de ce que l'on a pu appeler «le rayon de la mort», si vous voulez.
François (de) Closets
C'est ça, vous n'osez plus dire que c'est de la science-fiction.
Chercheur
Ca doit quand-même être considéré comme un point futuriste pour l'instant.

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