Les lasers

Les lasers jouent un rôle considérable dans tous les domaines de la recherche, plus particulièrement en physique atomique et moléculaire, en physique nucléaire, en biophysique et en biochimie, dans les sciences de l'environnement, etc.

Mesure de la distance terre-lune. Le principe en est simple : on envoie une impulsion de lumière à travers un télescope vers un miroir réflecteur posé sur la Lune et on mesure le temps écoulé (environ deux secondes et demie) pour que la lumière réfléchie soit détectée à travers le même télescope. Les différentes mesures sont effectuées grâce à des miroirs déposés par les missions Apollo. Les impulsions lumineuses de durée 400 picosecondes (400 10^-12 secondes) et d'énergie 1 joule sont délivrées à la cadence de 10 hertz par un laser néodyme-YAG. La mesure est plus compliquée qu'il n'y paraît en raison de l'atmosphère terrestre qui élargit le faisceau laser - la tache réelle éclairée s'étend sur une vingtaine de kilomètres - et du fait que le signal de retour est noyé dans un fond lumineux très intense. Diverses techniques sophistiquées sont utilisées pour traiter le signal et des calculs correctifs sont nécessaires pour tenir compte des effets de gravitation, de relativité, de rotation de la Terre et de la Lune, etc. La mesure donne 384 402 kilomètres, de centre de gravité à centre de gravité (le 4 octobre 1998) au millimètre près. Quel est l'intérêt de ces mesures ? De mieux connaître les différents mouvements de rotation de la Terre et de la Lune, de tester la théorie de la gravitation, de mieux définir les mouvements des satellites artificiels, etc.

Refroidissement des atomes. L'objectif est de ralentir un jet d'atomes se propageant dans le vide en l'illuminant par un faisceau laser qui se propage en sens inverse. D'une façon générale, un atome qui absorbe un photon voit sa vitesse modifiée : il ralentit si les vitesses sont opposées et il accélère si les vitesses vont dans le même sens. Un atome qui émet un photon subit le phénomène inverse. Dans l'expérience, un atome à l'état fondamental, de vitesse initiale V, absorbe un photon (figure 1) ce qui se traduit par un ralentissement dV très faible de sa vitesse initiale (figure 2). L'atome ainsi excité retourne à l'état fondamental en émettant un photon spontanément dans une direction quelconque et sa vitesse est modifiée de la quantité dV' dans la direction opposée (figure 3). Si le processus est répété un très grand nombre de fois (un million de fois par seconde, par exemple) la somme (vectorielle) des quantités dV' est nulle (figure 4) et seule la vitesse initiale se trouve fortement diminuée. Cette technique, plus sophistiquée et impliquant six faisceaux laser croisés, permet d'immobiliser presque complètement une assemblée d'atomes. La «température» qui lui correspond peut être très proche du zéro absolu.

Effets non linéaires. Il est bien connu que, d'une façon générale, un faisceau lumineux monochromatique de fréquence v conserve sa couleur à la traversée d'un milieu transparent. Le faisceau d'un laser peut être tellement intense qu'à la traversée de certains cristaux transparents, la fréquence v peut se trouver doublée et donc la couleur être déplacée vers le violet. Ce phénomène est dû au fait que le champ électrique de l'onde électromagnétique induit des effets nouveaux qui ne sont plus proportionnels à la cause (effets non linéaires). Ces effets n'avaient jamais été observés auparavant et font actuellement l'objet de recherches dans divers domaines de la physique.

Impulsions ultracourtes. Dès la mise au point des premiers lasers, on a cherché à accéder aux échelles de temps des processus atomiques, moléculaires et biologiques afin de les suivre et de les contrôler. En partant d'impulsions déjà extrêmement brèves - 10^-12 seconde -, on arrive par des procédés très complexes à descendre à l'échelle de 10^-15 seconde (0,000 000 000 000 001 seconde !) et, de là, à suivre en temps réel la dissociation d'une molécule ou la migration d'un atome de fer dans l'hème de l'hémoglobine. Ces expériences, complètement impensables avant l'invention des lasers, ouvrent d'énormes possibilités dans divers domaines de la recherche.