D’autres promesses pour demain Déjà omniprésent, le laser n’a pas fini de faire parler de lui. Car dans les laboratoires du monde entier, les chercheurs imaginent déjà de nouvelles générations toujours plus performantes. Quels seront les lasers de demain ? Tour d’horizon de la recherche actuelle. À tout seigneur, tout honneur. Star incontestée des lasers, le laser à semiconducteur (ou diode laser), qu’on trouve partout, des lecteurs CD aux caisses de supermarché pour lire les codes-barres, n’échappera pas à la vague d’innovation. Depuis les années 1980, les chercheurs n’ont eu de cesse d’améliorer ce laser dont le succès provient de sa petite taille : le matériau laser en luimême (voir illustration, p. 20) mesure quelques centaines de microns de long sur quelques microns de large. « Il est constitué d’une succession de couches ultra-minces faites d’un matériau semiconducteur (comme l’arséniure de gallium) dans lequel les électrons peuvent passer d’un niveau d’énergie à un autre en émettant de la lumière, explique Françoise Lozes du Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (Laas) du CNRS à Toulouse. En contrôlant au nanomètre près l’épaisseur de ces couches et en jouant sur leur composition, on peut sélectionner très finement ces niveaux et donc la longueur d’onde émise par le laser ». Ainsi ont été mises au point différentes diodes laser, notamment rouges ou bleues pour le stockage sur les CD-Rom et les DVD. Mais les scientifiques veulent aller plus loin. Ils explorent aujourd’hui un territoire pratiquement vierge pour les lasers : la lumière Bose-Einstein. En clair, un nouvel état de la matière dans lequel les atomes ont tous exactement les mêmes propriétés. On réussit ensuite à libérer les atomes de ce condensat : le laser à atomes était né. « Il nous faut maintenant relever deux grands défis pour que ce laser sorte des laboratoires, explique Philippe Bouyer, du Laboratoire Charles- Fabry de l’Institut d’optique 1 à Palaiseau. Le miniaturiser au maximum et créer un jet d’atomes en continu. » Nul doute qu’il trouverait alors de multiples usages : « Un laser à atomes continu serait un atout © CNRS Photothèque/LCFIO Coupe d’une diode laser à cascades quantiques. Les photons sont émis par la couche faite d’arséniure d’indium et d’antimoniure d’aluminium, en rouge. © P.Grech, D. Cot, A. Baranov ; O. Cathabard/CNRS Photothèque infrarouge. « Les seuls lasers qui existent dans ce domaine sont encombrants et peu pratiques à utiliser, note Martial Ducloy, du Laboratoire de physique des lasers 1 à Villetaneuse. L’enjeu est de mettre au point des appareils compacts. » Les lasers à semi-conducteur sont les candidats tout trouvés. Ou plutôt, un type particulier d’entre eux : celui à cascade quantique. Inventé dans les années 1990, on commence tout juste à maîtriser sa conception. Pour le fabriquer, les chercheurs recréent artificiellement, en empilant un grand nombre de couches nanométriques, une sorte d’escalier à électrons. Une fois excités par un courant électrique, ces derniers sont forcés de descendre les marches les unes après les autres – d’où le nom de cascade – en émettant à chaque fois de la lumière. Grâce à cette technique, on peut couvrir un très large domaine de longueurs d’onde infrarouges, de 3 à 300 microns environ. De quoi ouvrir un vaste champ d’applications. Entre 3 et 10 microns, on trouve en effet la région des « empreintes digitales des molécules ». Les lasers à atomes émettent un jet d’atomes tous identiques, comme le sont les photons d’un faisceau laser classique. majeur dans certaines applications, par exemple les interféromètres atomiques qui autorisent des mesures extrêmement sensibles de la gravitation, importantes aussi bien en science fondamentale (comme tests de la relativité générale) que pour la détection des ressources du sous-sol », promet Alain Aspect. J.B. 1. Unité CNRS/Université Paris-XI/Institut optique graduate school. Contact : Philippe Bouyer, philippe.bouyer@institutoptique.fr L’ENQUÊTE 25 La plupart des molécules y absorbent en effet la lumière à des fréquences lumineuses bien précises. En envoyant un faisceau laser dans un échantillon, et en mesurant comment la lumière a été atténuée suivant la longueur d’onde, on peut remonter à ses différents composants, même si ceux-ci sont présents à l’état de traces. Cette spectroscopie infrarouge permet notamment de détecter des molécules polluantes dans l’air. Compact, le laser à cascade quantique pourrait se glisser partout et constituer dans le futur une sonde indispensable. UN MILLION DE LASERS EN UN D’autant qu’il pourrait bénéficier un jour d’une technique naissante qui promet de révolutionner la spectroscopie : le peigne de fréquence. Derrière ce terme se cache en réalité un laser femtoseconde, c’est-à-dire délivrant des impulsions de l’ordre du femtoseconde (10 -15 seconde), d’un type particulier : « Grâce à lui, on obtient un faisceau laser qui contient l’équivalent d’un million de lasers émettant chacun une longueur d’onde Empilement de trois plans d’îlots quantiques d’arséniure d’indium, élaborés sur un substrat d’arséniure de gallium. bien déterminée », explique Nathalie Picqué, du Laboratoire de photophysique moléculaire 2 à Orsay. Mis au point à la fin des années 1990 pour des applications en lumière visible, il pourrait s’étendre à la spectroscopie infrarouge dans le futur. « On pourra détecter plusieurs molécules simultanément en un temps excessivement court, poursuit la chercheuse. Ce qui rendra possible l’analyse en temps réel d’une chaîne de production, alimentaire ou pharmaceutique par exemple. » Reste maintenant à développer un laser infrarouge capable d’émettre de très brèves impulsions. Le laser à cascade quantique figure sur la liste des candidats possibles. Mais la prometteuse carrière de ce laser ne s’arrête pas là. Du côté des grandes longueurs d’onde, il offre aussi de séduisantes perspectives. Entre 100 et 300 microns se situe le domaine des ondes térahertz 3, qui suscitent > Le journal du CNRS n°243 avril 2010 © G. Patriarche/LPN