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La lumineuse découverte derrière le prix Nobel de physique de Gérard Mourou

Manuel Moragues ,

Publié le

Bonne nouvelle Le Français Gérard Mourou est colauréat du prix Nobel de physique 2018 pour avoir découvert une technique ouvrant la voie aux lasers à impulsion de haute puissance. Décryptage de l'amplification à dérive de fréquence.

La lumineuse découverte derrière le prix Nobel de physique de Gérard Mourou
La découverte de Gérard Mourou a notamment permis de démocratiser les lasers à impulsion à forte puissance dans l'industrie.

Le secret des lasers pulsés à haute puissance. Voilà la découverte qui a valu au Français Gérard Mourou et à son ancienne doctorante, la Canadienne Donna Strickland, de se voir décerner le prix Nobel de physique 2018 – avec l'Américain Arthur Ashkin pour ses pinces optiques.

Plus précisément, le Français et la Canadienne ont découvert une technique d'amplification des impulsions lasers qui a ouvert la voie aux lasers à impulsion à haute puissance : l'amplification à dérive de fréquence.

Depuis l'invention des lasers Il y a presque 60 ans, la course à la puissance lumineuse a mobilisé les chercheurs. Le principe consiste à amplifier l'intensité d'une source laser. Mais pour les lasers à impulsions, qui envoient des séries d'impulsions lumineuses telles des mitraillettes, la course touchait à sa fin dans le milieu des années 1980. Impossible d'augmenter plus le facteur d'amplification : l'intensité lumineuse endommageait l'amplificateur.

Gérard Mourou et Donna Strickland relancent la course à la puissance en 1985

C'est là qu'interviennent Gérard Mourou et Donna Strickland. Le chercheur et sa doctorante présentent en 1985 une technique astucieuse permettant d'amplifier d'un facteur 1000 un laser : l'amplification à dérive de fréquence, ou Chirped Pulse Amplification (CPA). Elle relance la course à la puissance des lasers pulsés (voir la figure ci-dessous) et leur vaudra le prix Nobel 33 ans plus tard.

 

Evolution de la puissance des lasers à impulsion depuis 1960.

 

Le principe de la CPA ? Contourner la limite liée à une trop grande énergie lumineuse en "diluant" l'énergie de l'impulsion laser. Il s'agit plus précisément de la diluer dans le temps, en étirant l'impulsion pour réduire le pic de puissance lumineuse. Car plus l'impulsion est courte, resserrée, plus l'énergie est concentrée. Et à l'inverse, plus une impulsion est étalée dans le temps, moins elle est dense en énergie.

La première étape de la CPA consiste donc à étirer l'impulsion laser d'un facteur 100 ou plus, en tirant profit d'effets non linéaires. Dans l'expérience originale de Gérard Mourou et Donna Strickland, l'impulsion laser parcourait 1,4 km de fibre optique. Les composantes à basses fréquences de l'impulsion (le "côté rouge" du spectre) s'y propageaient plus vite que les composantes à hautes fréquences (le "côté bleu"). Les basses fréquences sortent de la fibre en avance et les hautes fréquences en retard : l'impulsion est étirée.

Etirez, amplifiez, comprimez... Le tour est joué !

Maintenant que le pic de puissance lumineuse est aplati, l'amplification de l'intensité laser peut être réalisée sans dépasser le seuil de puissance endommageant le matériel. C'est la seconde étape de la CPA.

Reste à retrouver la brièveté de l'impulsion initiale. La troisième et dernière étape de la CPA consiste à réaliser l'inverse de la première étape, soit comprimer l'impulsion lumineuse. Ce que Gérard Mourou et Donna Strickland ont réalisé avec un dispositif à réseaux de diffractions qui, par un effet analogue à celui d'un prisme, fait parcourir un chemin plus court à la lumière bleue qu'à la lumière rouge, resserrant les composantes de l'impulsion.

Schéma de principe de la technique CPA (Chirped Pulse Amplification) ou Amplification à dérive de fréquence

 

Résultat, Gérard Mourou et Donna Strickland sont parvenus à amplifier d'un facteur 1 million leur impulsion laser. Elle portait 1 nanojoule à l'entrée, elle porte 1 millijoule à la sortie de leur dispositif. Et sa durée est de 2 picosecondes (2 millièmes de milliardième de seconde).

La communauté scientifique s'est ruée sur cette technique. Une amélioration est venue rapidement avec l'utilisation d'un dispositif à réseaux de diffraction pour la première étape d'étirement de l'impulsion, permettant d'aboutir à un facteur d'amplification de 1 milliard.

Des lasers petawatts à la chirurgie de la cornée

Le premier apport de la CPA est d'avoir permis la construction de lasers pulsés à haute puissance. Les lasers terawatt (1 milliard de Watts) se sont rapidement multipliés et les lasers petawatts ont fait leur apparition à partir de 1999. Un laser de 10 petawatts est prévu à Prague, en République Tchèque, dans le cadre du projet européen Extreme Light Infrastructure dont Gérard Mourou est le pilote et l'initiateur. Ces lasers surpuissants permettent de sonder la matière dans des états extrêmes et sont des outils cruciaux pour la physique fondamentale.

L'autre grande avancée de la CPA est d'avoir démocratisé les lasers à courtes impulsions et hautes énergies, tant pour la recherche fondamentale (notamment pour étudier la dynamique des molécules voire des électrons grâce à des impulsions de plus en plus courtes – jusqu'à la dizaine d'attoseconde, soit 10 milliardièmes de milliardièmes de seconde) que pour l'industrie et la santé.

Ces lasers facilement intégrables sont ainsi utilisés pour décaper et usiner la matière très précisément – pour fabriquer par exemple des stents, ces ressorts micrométriques qui s'insérent dans les vaisseaux sanguins – mais aussi pour l'impression 3D. C'est aussi avec ce type de laser, que des millions de patients se font opérer des yeux chaque année pour corriger leur vue. La CPA, une invention vraiment lumineuse.

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