L'histoire du Laser:
d'Einstein à Gordon Gould

La technologie L. A. S. E. R. permet la création d’une série variée de systèmes en mesure d’émettre un faisceau de lumière défini cohérent dans l’espace, en permettant la collimation dans le temps, ainsi le spectre d’émission est très étroit (monochromaticité) au moyen d’une amplification optique basée sur un processus d’émission stimulée par des radiations électromagnétiques, d’où le nom : Light Amplification (by) Stimulated Emission (of) Radiation l’acronyme de «Amplification de la lumière par l’émission stimulée du rayonnement». Le terme s’est tellement diffusé qu’il a, à part entière, en langue anglaise, les caractéristiques d’un verbe (“to lase”), ainsi le terme “lasing” indique l’activité d’émission d’un rayon laser.

En physique classique, la lumière est considérée comme une superposition d’oscillations électromagnétiques. Jusqu’à la moitié du vingtième siècle, malgré les efforts fournis pour manipuler la lumière afin de la rendre versatile et fonctionnelle dans différents domaines d’application, on n’arrivait pas à contraster la limite de sa polychromaticité : des stratagèmes optiques (comme par exemple les filtres) réussissaient presque à donner une cohérence aux radiations, mais en atténuant considérablement l’intensité du rayon.

En réalité, même les rayons laser ne sont pas parfaitement monochromatiques, mais ils sont en mesure de concentrer la quasi totalité de leur énergie dans une bande spectrale très étroite et cela comporte de nombreux avantages dans une vaste gamme d’applications.
On peut affirmer que c’est vraiment avec l’apparition du laser que la lumière endosse un nouveau rôle dans le monde industriel : l’énorme potentiel de cette technologie commence immédiatement à ouvrir de nouvelles voies aux applications et à la recherche.

Pour mesurer un laser industriel, les paramètres sont ceux de la fréquence (en Hertz), la longueur d’onde (en micromètres), la puissance moyenne et la puissance de crête et l’énergie de l’impulsion.

Les longueurs d’onde qui impliquent majoritairement la technologie laser vont des 0.3 (UV) aux 10 µm (CO2), c’est-à-dire qu’elles couvrent une gamme qui part des ultraviolets, va à la lumière visible jusqu’aux infrarouges.

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Bref rappel historique

L’histoire du laser commence indéniablement en 1916 avec Albert Einstein, qui pressenti que, dans la formation d’une ligne atomique spectrale, trois processus interviennent essentiellement : l’émission spontanée, l’émission stimulée et l’absorption. Il associa à chacun d’entre eux un coefficient (nommé ensuite “d’Einstein”), qui représente une estimation de la probabilité que ce processus advienne.
À partir des premières études du génie, on doit cependant attendre jusqu’en 1950 pour que l’équipe de C. H. Townes réalise le premier dispositif fonctionnant qui utilisait, en pratique, les théories d’Einstein : la technologie en question s’appelait M. A. S. E. R., ce qui signifie Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

On doit les études successives qui proviennent du désir de développer les principes du MASER au secteur des infrarouges et de la lumière visible, aux multiples facettes de Theodor H. Maiman qui, en 1960, compléta le premier laser à rubis à impulsions.
Dès lors, le laser domina de nombreux secteurs et la recherche se dirigea soit vers la mise au point de nouvelles sources laser, soit vers l’amélioration des caractéristiques de celles existantes.

La question du brevet

La paternité de l’invention du laser n’a pas été encore attribuée avec certitude et les opinions à ce sujet sont très partagées si bien que le brevet du laser a fait l’objet d’un contentieux pendant trente ans.

Nous avons déjà dit que ce fut Theodore H. Maiman qui reprit les études d’Einstein : le 16 mai 1960, l’ingénieur californien actionna le premier laser fonctionnant dans les laboratoires Hughes Research à Malibu.
Il s’agissait d’un laser à l’état solide qui utilisait un cristal de rubis  en mesure de produire un rayon laser rouge avec une longueur d’onde de 694 nm, une fréquence de 4 x 1014 Hz.

Toujours en 1960, Ali Javan, William R. Bennett et Donald Herriott construisirent le premier laser réalisé avec de l’hélium et du néon, appelé MASER optique à gaz, en mesure de produire un rayon infrarouge.
Trois ans plus tard, dans le New Jersey, K. Patel mit au point le laser au dioxyde de carbone aux Bell Laboratories.

Parmi eux, le protagoniste le plus célèbre est peut-être le physicien Gordon Gould qui, suite à une conversation avec Townes, avait pris différentes notes sur l’utilisation optique des MASER et sur l’utilisation d’un résonateur ouvert, un détail qui deviendra par la suite commun à de nombreux lasers.

Se considérant comme l’inventeur du laser, Gordon Gould avait déposé ses notes auprès d’un notaire, mais le contentieux légal qui en suivit, ne lui permit pas de recevoir la paternité de l’invention de la part du bureau des brevets.

En 1977, il réussit à obtenir un petit succès avec l’attribution du Brevet pour le pompage optique et au cours des années successives, il collabora à l’élaboration de nombreux documents qui décrivent la grande variété d’applications possibles du laser, y compris le chauffage et la vaporisation des matériaux, le soudage, le perçage, la coupe et différentes applications photochimiques.

En conclusion on peut dire que, même si l’invention du laser ne lui a jamais été attribuée, Gordon Gould a encaissé des royalties de millionnaire, que ce soit pour ses brevets successifs ou pour les études d’autres chercheurs qui ont ensuite trouvé toutes les applications du laser que nous connaissons aujourd’hui.

Composants d'un laser

  1. Moyen optique actif, c’est-à-dire un matériel (gaz, cristal, liquide) qui émet de la lumière
  2. Un système de pompage qui fournit l’énergie au moyen actif
  3. Deux miroirs dont un sans tain
  4. Une cavité optique ou un résonateur optique ou bien un piège pour la lumière
  5. Un faisceau laser en sortie

Dans le laser, on exploite le moyen actif qui possède la capacité d’émettre des radiations électromagnétiques (photons) quand il est activé. La longueur d’onde de l’émission dépend du moyen laser actif.

Le moyen laser actif peut être gazeux (par exemple du dioxyde de carbone, un mélange d’hélium et de néon) liquide (des solvants comme le méthanol, l’éthanol ou l’ éthylène glycol, auxquels on ajoute des colorants chimiques comme la coumarine, la rhodamine, et la fluorescéine) ou solide (rubis, néodyme ou semi-conducteurs). Le système de pompage fournit de l’énergie au moyen laser actif en le portant à l’excitation avec l’émission de photons. L’excitation peut avoir lieu au moyen de :

  • Pompage optique
  • Chocs électroniques
  • Effet Penning
  • Transfert résonnant d’énergies

Les radiations émises sont normalement concentrées à travers une cavité optique avec des parois internes réfléchissantes et une zone de sortie sans tain. Cette dernière superficie est la seule qui permet la sortie du rayon, qui est ensuite travaillé et repositionné à travers une série de lentilles et de miroirs pour faire en sorte que le rayon résultant ait la position, la concentration mais aussi l’amplitude désirée.