Les lasers sont partout. Un premier exemple dans votre poche : votre téléphone portable reconnaît votre visage à l’aide d’un ensemble de lasers, construits en forme de cylindre, qui font la taille d’une pointe de stylo.

Mais il y en a de plus petits, mesurant un centième de la taille d’un cheveu ; ou bien de très grands qui occupent plusieurs bâtiments, et qui permettront, peut-être un jour de produire de l’énergie par fusion nucléaire, comme dans les étoiles. Aujourd’hui les lasers sont utilisés dans toutes les technologies : du diagnostic médical (l’imagerie du fond de l’œil) et la chirurgie (scalpel laser qui cicatrise en coupant) à l’impression laser en 3D.

Les plus repandus, les VCSELs (vertical cavity surface emitting laser pour « diode laser à cavité verticale émettant par la surface ») comme celui de votre téléphone, représentent un marché de plus de 2 milliards de dollars et on les retrouve dans les souris d’ordinateur, dans les robots ou dans les voitures à conduite autonome.

60 ans d’histoire

Comment est-on arrivé à une telle ubiquité en 60 ans ? C’est curieux, car dans les premiers temps les lasers étaient dénigrés comme des dispositifs inutiles alors qu’aujourd’hui ils sont devenus indispensables.

Les premiers lasers sont nés d’une idée que Charles Townes, assis dans un parc à Washington, eut en 1951 pour amplifier des microondes – comme celles des fours. Il se basa sur une découverte d’Einstein sur l’interaction entre lumière et matière pour obtenir un rayonnement capable d’exciter sélectivement atomes et molécules.

Les premiers lasers étaient coûteux, extrêmement encombrants et gourmands en énergie : un laser à gaz d’argon consommait autant que 40 fours à microondes pour ne donner que 10 Watts de lumière (celle d’une très faible ampoule). En plus, on ne pouvait avoir qu’un petit nombre de longueurs d’onde (couleurs). Grâce à une meilleure compréhension et aux progrès technologiques, aujourd’hui nous avons des lasers sur toutes les longueurs d’onde du proche infrarouge au proche ultraviolet, avec un rendement qui avoisine 50 %, dans le meilleur des cas. On peut donc convertir en lumière laser la moitié de l’énergie alors que le rendement des premiers lasers n’était qu’aux alentours de 0,01 %.

Un laser : c’est quoi ?

Pour bien comprendre l’essence du laser, prenons une analogie. Un incendie se manifeste dans le village la nuit. Les habitants arrivent petit à petit et commencent à se diriger vers une réserve d’eau abondante. Au fur et à mesure qu’ils arrivent avec leurs seaux, ils forment une chaîne qui transfère l’eau de la source au feu de façon organisée, et efficace, en transférant les seaux d’une main à l’autre en synchronie. Un laser récupère l’énergie qui lui est donnée (par exemple un courant électrique) et le transforme en photons tous de la même énergie et synchronisés en phase, comme dans le passage de seaux.

Il est intéressant de noter que les plus petits des lasers posent encore des questions fondamentales, auxquelles je me trouve confronté chaque jour, car leur « réserve de photons » est trop faible pour « bien fonctionner » : comme si le village n’avait pas suffisamment d’habitants pour former la chaîne. Pourtant, ces lasers pourraient devenir le pivot de notre futur dans l’information.

L’avenir de l’information ?

Leur avantage est une consommation extrêmement faible, et un énorme potentiel d’intégration dans des puces comme celles que l’on trouve dans l’électronique. En fait, on peut imaginer un futur où la lumière remplacerait, en grande partie, les courants électriques pour effectuer des calculs, transmettre les informations et les stocker en mémoire.

Son avantage serait une bien plus grande rapidité et un réchauffement du circuit presque négligeable : une aubaine pour l’environnement, qui subit aujourd’hui un réchauffement croissant à cause des centres de données qui fournissent toutes les informations à Internet.

Dans les prochaines années, on pourra aussi bénéficier de communications quantiques, parfaitement sécurisés pour toute opération grâce à un codage unique qui ne pourra pas être déchiffré. Des progrès en médecine sont à envisager avec l’inspection et la manipulation de cellules par la lumière, par exemple en identifiant et éliminant par laser des cellules malades qui circulent dans le sang.

Car les lasers peuvent tester, identifier et saisir de petits objets dans ce qui est appelé une « pince optique » : tout cela sans qu’il y ait de contact et donc dans un environnement parfaitement stérile. Mais on cherchera aussi des lasers naturels dans les étoiles et on s’attachera à découvrir de nouvelles applications.

Gian-Luca Lippi, chercheur à l'Institut de Physique de Nice (INPHYNI), Université Côte d’Azur

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.
 

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