Introduction
Le laser est l'une des inventions les plus polyvalentes et transformatrices du XXe siècle. Contrairement à une source de lumière ordinaire qui émet des photons dans toutes les directions et à différentes longueurs d'onde, le laser produit un rayonnement lumineux extrêmement pur, concentré et contrôlable. Cette propriété unique, la cohérence, a ouvert la voie à des applications inimaginables, de la chirurgie oculaire de précision à la lecture des codes-barres, en passant par la transmission de données par fibre optique.
Contexte
Le concept théorique du laser a précédé sa réalisation pratique de plusieurs décennies. En 1917, Albert Einstein a posé les bases théoriques en décrivant l'émission stimulée, un processus clé de l'amplification lumineuse. Dans les années 1950, les scientifiques développent le maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), son équivalent pour les micro-ondes, avec Charles Townes et Arthur Schawlow. Leur travail théorique sur l'extension du principe à la lumière visible, publié en 1958, a déclenché une course internationale pour construire le premier laser optique.
Inventeur
Theodore H. Maiman, un physicien et ingénieur électricien des Hughes Research Laboratories, a remporté cette course. Contredisant les prédictions de nombreux experts qui pensaient que d'autres matériaux étaient plus prometteurs, Maiman a choisi un cristal de rubis synthétique comme milieu amplificateur. Son dispositif, relativement simple et élégant, utilisait une lampe flash hélicoïdale pour « pomper » de l'énergie dans le cristal, produisant le premier rayon laser pulsé de l'histoire. Son succès a été initialement accueilli avec scepticisme avant d'être largement reconnu.
Fonctionnement
Le fonctionnement d'un laser repose sur trois processus fondamentaux au sein d'un milieu actif (gaz, cristal, semi-conducteur) : l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée. 1) Le « pompage » (par flash, courant électrique ou autre laser) excite les atomes du milieu, les faisant passer à un état énergétique supérieur. 2) Lorsqu'un atome excité retombe spontanément, il émet un photon. 3) Ce photon peut à son tour « stimuler » un autre atome excité à émettre un photon identique en phase, direction et longueur d'onde (émission stimulée). Placé dans une cavité résonante formée de deux miroirs (l'un parfaitement réfléchissant, l'autre partiellement), ce processus s'amplifie en une avalanche. Le rayon laser, cohérent et directionnel, s'échappe par le miroir partiellement transparent.
Evolution
Après le laser à rubis pulsé, l'invention a connu une évolution rapide et diversifiée. En 1960, Ali Javan a créé le premier laser à gaz (hélium-néon) produisant une émission continue. Les lasers à semi-conducteurs (diodes laser), plus compacts et efficaces, sont apparus dans les années 1960 et sont devenus omniprésents. Les années suivantes ont vu le développement de lasers à colorant (réglables), à CO2 (puissance industrielle), à fibre et à l'état solide. Aujourd'hui, ils couvrent un spectre immense, des infrarouges aux ultraviolets, avec des puissances allant du milliwatt (pointeurs) au pétawatt (installations de recherche).
Impact
L'impact sociétal du laser est profond et multiforme. En médecine, il permet des chirurgies non invasives (ophtalmologie, dermatologie), des traitements dentaires et des diagnostics. Dans l'industrie, il découpe, soude, marque et mesure avec une précision inégalée. Les communications modernes reposent sur les lasers et les fibres optiques, qui transportent l'immense majorité des données mondiales. Dans la vie quotidienne, il est présent dans les lecteurs CD/DVD/Blu-ray, les imprimantes, les scanners de supermarché et les systèmes de sécurité. Scientifiquement, il a permis des avancées majeures en spectroscopie, métrologie (définition du mètre), fusion nucléaire contrôlée et même la détection des ondes gravitationnelles (LIGO). C'est une technologie fondatrice de l'ère de l'information.
