« Le laser* est une invention de théoricien qui n’aura sûrement jamais d’applications. »
Ainsi parlait-on en 1960 de cette nouvelle lumière, étrangère à la nature et domestiquée par les scientifiques !
* Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement)
La lumière d’un laser est différente de celle d’une ampoule. Elle est :
- directionnelle
- monochromatique (une seule « couleur », une seule longueur d’onde)
- cohérente (toutes les ondes lumineuses sont en phase)
D’où ses propriétés inédites.
Le laser en quelques dates :
1917 : A. Einstein prédit l’émission stimulée.
1950 : A. Kastler réalise le pompage optique qui permet d’avoir plus d’atomes dans un état excité que dans l’état fondamental (inversion de population).
1960 : T. Maiman met au point le premier laser. Le milieu actif est un cristal de rubis.
1963 : F. et N. Legay, au Laboratoire d’Infrarouge, contribuent à la mise au point des premiers lasers moléculaires
La découverte orcéenne :
1963 : François Legay et Nicole Legay-Sommaire sont chercheurs au Laboratoire d’InfraRouge (LIR) qui sera ensuite intégré dans le Laboratoire de Physique Moléculaire et Applications (LPMA) puis dans le Laboratoire de PhotoPhysique Moléculaire (LPPM) et aujourd’hui dans l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO).
Ils montrent que l’on peut obtenir une émission intense de lumière infrarouge en faisant vibrer des molécules de CO2, CO et N2O et utiliser cette méthode pour réaliser le premier laser moléculaire. Contrairement au laser à rubis qui repose sur une transition électronique entre deux niveaux atomiques (ce qui correspond à une longueur d’onde visible), les lasers moléculaires, dont le laser à CO2, sont basés sur une transition vibrationnelle, qui correspond au domaine infrarouge (plus grande longueur d’onde).
Pour obtenir un grand nombre de molécules dans l’état excité, les chercheurs ont utilisé la technique suivante : une décharge haute-fréquence dans l’azote moléculaire produit un grand nombre de molécules de N2 excitées (azote activé). Par collision avec les molécules de CO2, elles leur transfèrent leur énergie.
1964 : les mêmes chercheurs montrent que l’utilisation de l’azote activé doit permettre la réalisation de lasers à gaz moléculaires très efficaces, en particulier avec CO2.
Ils vérifient leurs prévisions et cela est confirmé par C. K. N. Patel aux Bell Laboratories (Etats Unis) : le laser à CO2 – N2 est né.
Schéma du laser à CO2 issu de la publication de F. et N. Legay
L’azote est introduit par l’entrée A et pénètre dans le tube de réaction après avoir traversé une cavité haute fréquence (HF). Le gaz CO2 est introduit par l’entrée B et se mélange à l’azote activé dans la cavité optique.
Les miroirs concaves M1 et M2 de la cavité sont espacés de 125 cm
Les lasers à l’ISMO en 2023 :
Un des piliers de la recherche à l’ISMO est la photophysique moléculaire, c’est-à-dire l’étude des atomes et des molécules, puis de leurs assemblages (agrégats, surfaces), grâce à la lumière. L’ISMO dispose d’un parc lasers très important car ils constituent des outils de choix pour ces études.
►Spectroscopie
De la même façon que les empreintes digitales, voire ADN, caractérisent un individu, une molécule est caractérisée par la façon dont elle absorbe ou émet la lumière.
Connaître le spectre d’une molécule, c’est :
- obtenir des informations sur sa structure (qui détermine en grande partie sa réactivité chimique)
- disposer d’une « signature » de la molécule qui permettra de la reconnaître n’importe où, par exemple à l’état de traces dans l’atmosphère dans le cas d’un polluant, ou bien dans l’atmosphère d’une autre planète ou dans les nuages interstellaires.
►Dynamique
Certains types de lasers peuvent émettre leur lumière pendant un temps extrêmement bref (quelques femtosecondes : 10-15 s*).
On peut les utiliser pour observer le comportement des molécules ou de leurs assemblages à des échelles de temps très courtes.
►Microscopie
Les lasers peuvent être utilisés comme source de lumière pour faire de l’imagerie.
Au laboratoire, on met au point des méthodes de caractérisation de cellules tumorales, par exemple
Notre parc laser et nos moyens de caractérisation laser :
Au sein de l’Institut, nous disposons d’une quarantaine de systèmes lasers de tous types, des lasers solides, colorants et gaz, continu ou impulsionnel, de 10Hz à des centaines de MHz etc…
Ainsi pour les caractériser nos différents faisceaux lasers, nous utilisons les instruments suivants :
- Spectromètre fibré 0.3 et 1 nm de résolution afin d’étudier le profil spectral des impulsions lasers.
- Mesureurs de puissance adaptées à nos lasers.
- Analyseur de faisceau pour étudier le profil spatial des impulsions.
- Lambdamètre afin de déterminer la longueur d’onde d’une impulsion laser.
Au sein du service, nous effectuons également de la simulation optique par les logiciels ZEMAX, CodeV et LightTools.
Par exemple, simulation par ZEMAX du trajet optique d’un pellin broca.
Contacts :
Thierry Chamaillé – thierry.chamaille@universite-paris-saclay.fr
Catherine Le Bris – catherine.le-bris@universite-paris-saclay.fr (Réferente laser)
Christophe Lefumeux – christophe.lefumeux@universite-paris-saclay.fr