n°21 octobre 2010 www.refl etsdelaphysique.fr Revue de la Société Française de Physique www.sfpnet.fr Le laser 50 ans de découvertes Le Bup N° 927 Octobre 2010 Physique Chimie UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE 42, rue Saint-Jacques - 75005 PARIS www.udppc.asso.fr Éditorial L’UdPPC et la SFP célèbrent ensemble le cinquantenaire de la découverte du laser Le Laser a 50 ans. Suite à la première démonstration d’un effet laser par Theodore Maiman eenn mmaaii 11996600,, eett eenn ddééppiitt ddee pprrééddiiccttiioonnss hhââttiivveess ((«« llee llaasseerr,, uunnee ssoolluuttiioonn àà llaa recherche ddee ssoonn pprroobbllèèmmee »»)),, lleess llaasseerrss oonntt ccoonnnnuu uunn ddéévveellooppppeemmeenntt eexxppoonneennttiieell :: lleess ssoouurrcceess ssee ssoonntt mmuullttiipplliiééeess ddaannss ttoouuss lleess ddoommaaiinneess ddee lloonngguueeuurr dd’’oonnddee,, ddee ll’’iinnffrraarroouuggee llooiinnttaaiinn aauuxx rraayyoonnss XX dduurrss,, ééttaabblliissssaanntt ddeess rreeccoorrddss ddee mmoonnoocchhrroommaattiicciittéé,, ccoohhéérreennccee ssppaattiiaallee eeeetttt ppppuuuurrrreeeettttéééé ssssppppeeeeccccttttrrrraaaalllleeee,,,, ddddeeee dddduuuurrrrééééeeee uuuullllttttrrrraaaa----ccccoooouuuurrrrtttteeee dddd’’’’iiiimmmmppppuuuullllssssiiiioooonnnnssss lllluuuummmmiiiinnnneeeeuuuusssseeeessss,,,, ddddeeee ppppuuuuiiiissssssssaaaannnncccceeee,,,, dddd’’’’éééénnnneeeerrrrggggiiiieeee………… LLLLeeeeuuuurrrrssss aaaapppppppplllliiiiccccaaaattttiiiioooonnnnssss ont été multiples en recherche fondamentale (physique, chimie, etc.), dans l’industrie, dans les télécommunications, en métrologie, en biologie et médecine… À cause de ces nombreuses applications, le laser est devenu un élément de notre vie quotidienne. En tant que source lumineuse quasi idéale, il a aussi révolutionné l’enseignement des sciences physiques et de l’optique. Pour célébrer les 50 ans du laser, présenter les récentes avancées et décrire son impact dans les sciences physiques et ses nombreuses applications dans les autres disciplines, la Société française de physique et l’Union des professeurs de physique et de chimie ont uni leurs forces pour publier un numéro spécial commun de leurs revues respectives, Refl ets de la physique et Le Bulletin de l’Union des Professeurs de physique et de chimie. La lecture de son sommaire montre la diversité des thèmes abordés. Il faut souligner que la présente publication s’inscrit dans un ensemble d’initiatives communes prises par nos deux sociétés depuis de nombreuses années. En juin 2005, à l’occasion de l’Année mondiale de la physique, la SFP et l’UdPPC avaient publié en commun un numéro hors série du Bup et du Bulletin de la Société française de physique, ancêtre des Refl ets de la physique. Ce numéro mettait en relief quelques-uns des champs d’activité des physiciens d’aujourd’hui et leurs liens avec les disciplines les plus diverses. Édouard Brézin, alors vice-président de la SFP, soulignait dans la préface que cette publication témoignait de « la vitalité de la physique contemporaine, la diversité de ses objets d’étude, la richesse de ses contacts avec d’autres disciplines ». Madeleine Sonneville, présidente de l’UdPPC, soulignait de son côté, « l’importance de tels documents pour la culture scientifi que des professeurs ». Si cette publication commune était une « première » dans le domaine éditorial, elle ne représentait pas la première action commune des deux associations. Les lecteurs assidus de nos bulletins se rappellent sûrement qu’en 1986 avait pris naissance une commission mixte UdPPC-SFP sur l’enseignement. Elle a poursuivi ses travaux pendant de longues années, mais fut surtout le lieu d’élaboration du projet des Olympiades de Physique France. Celui-ci vit le jour en septembre 1991, lors du congrès général de la SFP à Caen. Les deux sociétés, cofondatrices des Olympiades, en sont aussi les coorganisatrices, et les deux revues se font chaque année l’écho du concours. Au-delà de cet exemple, notre volonté de collaboration est constamment réaffi rmée et elle trouve en particulier à s’illustrer par des échanges réguliers entre les associations, par des articles publiés en commun et aussi (trop souvent, malheureusement…) chaque fois que sont malmenées les conditions faites à l’enseignement des sciences au lycée. Nos remerciements s’adressent à tous les auteurs qui ont accepté de contribuer, et aux équipes de rédaction qui se sont coordonnées pour mener à bien ce projet ambitieux, afi n d’aboutir à ce beau numéro que nous sommes heureux de vous présenter et qui devrait faire référence. Micheline Izbicki Martial Ducloy Présidente de l’UdPPC Président de la SFP 2 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Sommaire s e t r e 2 É ditorial v u Micheline Izbicki et Martial Ducloy o c 4 Le laser : 50 ans de dialogue entre science et applications é d Fabien Bretenaker e d 6 Glossaire et bibliographie s n a Histoire et principe des lasers 0 5 10 Souvenirs de la genèse du laser , r Charles H. Townes e s a p. 9 12 LCeat hlaesrienre :S cphrwinocbi peet Ldueci lfeo Jnucltieionnnement Le l 18 Les différents lasers : un tour d’horizon  Sébastien Forget, Isabelle Robert-Philip et Philippe Balcou Les lasers de l’extrême 26 Les nanolasers, vers une nouvelle physique des lasers ? Izo Abram, Alexios Beveratos et Isabelle Robert-Philip 30 Sources cohérentes de laboratoire dans l’extrême ultraviolet Thierry Ruchon, Pascal Salières, Philippe Zeitoun et Stéphane Sebban 35 La fusion thermonucléaire par laser Michel Decroisette p. 25 Mesures de grande précision 42 Des lasers à impulsions femtosecondes pour mesurer les fréquences Anne Amy-Klein 46 Atomes froids : réseaux optiques et horloges Michèle Leduc et Pierre Lemonde 53 Le laser : un outil de choix pour l’interférométrie atomique Arnaud Landragin et Franck Pereira Dos Santos Quelques exemples d’application des lasers 60 La cohérence de la lumière et l’imagerie des tissus du corps humain p. 41 A. Claude Boccara 65 Applications médicales du laser Serge Mordon 70 Des lasers pour les télécommunications optiques par fi bres Mehdi Alouini 76 Les lidars atmosphériques Jean-Pierre Cariou et Laurent Sauvage 83 Deux exemples d’applications industrielles des lasers Philippe Aubourg, François Fariaut, Patrick Mauchien et François Salin 89 Faire de la physique autour des fontaines lasers Sébastien Forget, Christophe Daussy et Paul-Éric Pottie p. 59 REFLETS DE LA PHYSIQUE LE BUP PHYSIQUE-CHIMIE POUR CE NUMÉRO Directeur de la publication : Mohamed DAOUD Directeur de la publication : Micheline IZBICKI Responsable scientifique : Fabien BRETENAKER Rédacteur en chef : Charles de NOVION Rédacteur en chef : Gérard DUPUIS Secrétaire de rédaction : Catherine FRANÇOIS Comité de rédaction : P. BASSEREAU - M. BELAKHOVSKY - Comité de rédaction : G. BOUYRIE - L. DETTWILLER - Graphiste : [email protected] F. CASOLI - A. DAVAILLE - É. GUYON - P. HENNEQUIN - J.-P. HULIN - D. LAUNER - B. VELAY - J. WINTHER Imprimé en France par SPEI – 54425 Pulnoy Laser accordable : S. LABROSSE - G. LANDA - R. LEHOUCQ - J. MARGUERON - V. MOSSER - Service publicité : [email protected] Dépôt légal : 4e trimestre 2010 superposition S. REMY - C. SÉBENNE - J. TEIXEIRA - J. VANNIMENUS - C. YÈCHE Serveur : www.udppc.asso.fr Édité à 7500 exemplaires Service publicité : [email protected] Numéro commission paritaire : 0110G85858 © SFP / UdPPC de poses sur Serveur : www.refletsdelaphysique.fr ISSN : 1770-1368. Prix du numéro : 10 €. ISSN : 1953-793X – e-ISSN : 2102-1777 Publication mensuelle - 104e année la même image 5 numéros par an Annonceurs : (LCFIO, Orsay). Dunod (p. 17), Yenista (p. 52), Laser Quantum Société Française de Physique Union des professeurs de physique et de chimie (p. 52), Quantel (p. 52), TEEM Photonics (p. 64), © CNRS Photothèque / 33, rue Croulebarbe, 75013 Paris 42, rue Saint-Jacques, 75005 Paris Alphanov (p. 88), CNRS/LCMI (p. 88), Kircheim EQUILBEY Serge. www.sfpnet.fr www.udppc.asso.fr optique (p. 88). Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 3 Le laser : 50 ans de dialogue entre science et applications Un des objectifs de nos deux revues, Refl ets de la physique et Le Bup physique-chimie, est de présenter à leurs lecteurs les avancées récentes de la recherche en sciences de la matière. En cette année 2010, anniversaire des 50 ans de la découverte du laser, l’UdPPC et la SFP ont pris la décision de réaliser en commun ce numéro spécial sur le laser. Fabien Bretenaker, directeur de recherche au CNRS et professeur chargé de cours à l’École polytechnique, a accepté Il y a cinquante ans, Ted Maiman mettait au point le premier d’en prendre la direction scientifi que. Il nous présente « MASER optique », qui sera ensuite rebaptisé « LASER ». Après ici l’organisation de ce numéro commun, qui comprend la découverte du maser dans le domaine micro-ondes par Townes quinze articles scientifi ques, répartis en quatre parties. en 1954, plusieurs équipes de physiciens s’étaient lancées dans la Après un rappel des notions de base sur le laser, on y traite quête de ce Graal. Charles Townes lui-même a accepté de nous de certaines des avancées les plus récentes, aussi bien en livrer ses souvenirs de cette épopée. Cela constitue le premier recherche fondamentale que dans les applications. article de ce numéro spécial, commun aux Refl ets de la physique et Nous le remercions pour avoir mené à bien ce projet. au Bulletin de l’Union des Professeurs de physique et de chimie. Un grand merci également à Jean-Pierre Hulin, à qui l’on doit une analyse approfondie des articles, et à Catherine François Initialement simple objet de curiosité pour les physiciens, le laser et Laetitia Morin, qui se sont chargées avec enthousiasme et est, cinquante ans plus tard, tellement présent dans notre quotidien compétence de son édition et de sa mise en forme. que nous ne le remarquons quasiment plus. Au même titre que le transistor, il peut être considéré comme une des réussites majeures Gérard Dupuis Charles de Novion de la physique du XXe siècle, dont se sont emparés tous les domaines Rédacteur en chef du Bup physique-chimie Rédacteur en chef de Refl ets de la physique de la recherche et de l’innovation. Faire un tour d’horizon un tant soit peu exhaustif de ce domaine est devenu impossible. Aussi avons-nous choisi ici de nous limiter, en faisant appel à la plume de plusieurs des meilleurs spécialistes, à quelques exemples regroupés en quatre parties. La première partie débute avec l’article de Charles Townes, suivi d’un rappel simple mais précis des principes de base des lasers, proposé par Catherine Schwob et Lucile Julien. Cette partie se conclut par un Fabien Bretenaker tour d’horizon illustré des principaux types de lasers ; au cours de Rédacteur en chef invité du numéro spécial « Laser » cette visite, le lecteur est guidé par Sébastien Forget, Isabelle Robert-Philip et Philippe Balcou. Fabien Bretenaker est né à Metz en 1966. Ses travaux de thèse, effectués à l’université de Rennes 1 en collaboration La seconde partie, intitulée « les lasers de l’extrême », regroupe avec la Sagem, concernaient la physique des lasers en quelques-uns des champs de recherche où les caractéristiques des anneau, avec des applications à la gyrométrie optique. lasers sont poussées à l’extrême, que ce soit en termes de taille du Après avoir soutenu sa thèse, il a travaillé au centre de système (propriétés quantiques surprenantes des lasers de taille recherche de la Sagem à Argenteuil, avant de rentrer au nanométrique, décrites par Izo Abram, Alexios Beveratos et CNRS en 1994. Chercheur au sein de l’UMR « PALMS » Isabelle Robert-Philip), de longueur d’onde (lasers EUV et X à Rennes jusqu’en 2003, il a ensuite rejoint le laboratoire décrits par Thierry Ruchon, Pascal Salières, Philippe Zeitoun et Aimé-Cotton à Orsay. Actuellement directeur de recherche Stéphane Sebban), ou d’énergie par impulsion (article de Michel au CNRS, Fabien Bretenaker est directeur adjoint du Decroisette sur la fusion par confi nement inertiel). laboratoire Aimé-Cotton. Il est également professeur Une autre façon d’utiliser les performances exceptionnelles des chargé de cours à l’École Polytechnique, où il enseigne la lasers concerne leurs applications en métrologie et pour des mesures mécanique quantique et la physique des lasers. extrêmement précises, illustrées dans la troisième partie de ce Les travaux de recherche de Fabien Bretenaker concernent numéro spécial. La révolution récente des peignes de fréquence, la physique des lasers, l’optique non linéaire, l’interaction décrite par Anne Amy-Klein, est un superbe exemple d’utilisation matière-rayonnement et l’optique quantique. Il s’intéresse des lasers femtosecondes à la mesure des fréquences et à la spec- aussi aux applications de ces domaines au développement troscopie. L’outil laser, très stable, est tout aussi indispensable au de nouveaux senseurs, au traitement optique des signaux développement fascinant de la physique des atomes froids, que radars et à l’information quantique. Michèle Leduc et Pierre Lemonde évoquent ici en mentionnant 4 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Introduction s e t r e v u o c é d e d s n a 0 5 , r e s a l e L  les ponts récents jetés vers la physique de la matière condensée et les spectacles, etc.). Les lasers jouent également un rôle majeur et la métrologie du Temps. La pureté spectrale, la qualité de dans les recherches en physique avec l’optique non linéaire, le chaos, faisceau et la puissance des lasers sont également mises à profi t dans la physique des plasmas ou l’accélération des particules. Il en va de la manipulation des atomes pour réaliser les interféromètres même pour de nombreux domaines d’ingénierie, comme les atomiques décrits par Arnaud Landragin et Franck Pereira Dos capteurs de toutes sortes ou le dépôt et la caractérisation de couches Santos. Dans ces interféromètres à ondes de matière, envisagés minces. Notons que d’autres secteurs font aujourd’hui largement par exemple comme senseurs inertiels, les atomes jouent le rôle appel aux lasers : la chimie en est un bon exemple avec, entre autres, des photons dans les interféromètres optiques habituels, mais leur le suivi et le contrôle par laser des réactions chimiques et les techniques longueur d’onde de de Broglie très courte permet d’envisager optiques d’analyse. Mais c’est également vrai pour la biologie, une amélioration considérable de la sensibilité de ces appareils. l’archéologie, ou l’analyse et la restauration des œuvres d’art. La quatrième et dernière partie regroupe quelques exemples de la myriade d’applications pratiques des lasers. Ceux-ci ont Que nous réserve l’avenir du laser ? Il est diffi cile évidemment apporté une véritable révolution en médecine. La première de le prévoir, mais une chose est sûre : il sera foisonnant. D’une illustration en est donnée avec la mise à profi t de leur cohérence part, il est en effet frappant que, cinquante ans après l’invention optique pour l’imagerie du corps humain (Claude Boccara). du laser, la recherche sur la physique de l’objet laser lui-même soit Les utilisations thérapeutiques des lasers se développent et se encore un domaine en pleine effervescence (nouveaux matériaux répandent à un rythme impressionnant. L’exemple peut-être le plus pour l’amplifi cation, course aux rendements, impulsions de plus ancien et le plus connu est l’utilisation du laser en ophtalmologie. en plus brèves, extensions aux térahertz et au-delà, etc.). Chaque L’article de Serge Mordon nous propose quelques exemples plus nouveau développement technologique, chaque nouvelle utilisa- récents de ces utilisations thérapeutiques. Mehdi Alouini explique tion, obligent le physicien à approfondir sa compréhension du ensuite pourquoi une des applications les plus importantes du système (voir, par exemple, l’article sur les nanolasers). D’autre laser, les télécommunications optiques, n’a pu se développer que part, du côté des applications, chaque domaine qui s’empare de grâce à un composant essentiel : le laser à semi-conducteurs. Le cet outil en fait un usage que les physiciens n’avaient pas imaginé. domaine de l’environnement bénéfi cie également des lasers, Enfi n, et c’est là certainement un des aspects les plus inattendus comme nous le montrent Jean-Pierre Cariou et Laurent de la recherche, les concepts liés au laser trouvent des analogies et Sauvage avec les lidars atmosphériques. Rappelons aussi que, stimulent de nouvelles idées dans d’autres domaines. Il suffi t de depuis plusieurs décennies, l’industrie et les « process » sont mentionner les exemples décrits ici de l’interférométrie atomique d’immenses champs d’application des lasers. Philippe Aubourg, et des lasers à atomes, pour lesquels les ondes de matière atomique François Fariaut, Patrick Mauchien et François Salin ont choisi de remplacent les ondes électromagnétiques de l’optique « photonique ». l’illustrer par deux exemples, issus de la fabrication des cellules Ou encore de voir se multiplier les ponts entre la physique des photovoltaïques et de l’analyse de la composition chimique des atomes froids (condensats de Bose-Einstein, gaz de fermions matériaux. Enfi n, objet de recherches et de développement, le dégénérés, atomes en réseaux) et la physique de la matière laser peut aussi devenir un outil pédagogique pour l’enseignant condensée (localisation d’Anderson, superfl uidité, transitions de et une source d’inspiration pour l’artiste, comme l’illustrent les phase…). Alors demain ? Au lecteur de s’approprier le laser et fontaines laser décrites par Sébastien Forget, Christophe Daussy d’en tirer profi t dans les domaines qui lui sont chers. et Paul-Éric Pottie. Fabien Bretenaker ([email protected]) Des secteurs entiers d’application des lasers ne sont pas couverts Laboratoire Aimé-Cotton, CNRS-Université Paris Sud 11, 91405 Orsay Cedex par les articles qui suivent. Nous avons laissé de côté les applications militaires. Nous regrettons de n’avoir pas pu aborder le fascinant domaine du stockage optique de données, ainsi que celui de Je tiens à remercier Michèle Leduc, Charles de Novion, Jean-Pierre Hulin l’information et de la communication quantiques. Il en est de et Gérard Dupuis pour m’avoir proposé de participer à ce numéro spécial même pour les utilisations des lasers dans la vie quotidienne (CDs et pour leur dévouement, plein d’énergie et de bonne humeur, pour le voir et DVDs, imprimantes lasers, jeux de lumière dans les boîtes de nuit aboutir en temps et en heure malgré mes retards… Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 5 Glossaire Accordabilité Gain Capacité d’un laser à changer de longueur d’onde Facteur d’amplification optique d’un milieu amplifi- d’émission. cateur. Attoseconde Génération d’harmonique(s) 1 as = 10– 18 s. Phénomène d’optique non linéaire, dans lequel un faisceau de fréquence ν interagissant avec un milieu Cavité optique non linéaire donne naissance à un ou des faisceaux Dispositif permettant de stocker la lumière. Le type de fréquences nν avec n entier. de cavité le plus simple est constitué de miroirs obligeant la lumière à faire des tours ou des allers- Guide optique retours, comme par exemple dans un interféromètre Structure dans laquelle on augmente localement de Fabry-Perot. l’indice de réfraction, pour guider par réflexion totale la lumière dans une direction choisie. Cohérence La cohérence temporelle, liée à la pureté spectrale Hétérostructure de la source, caractérise le temps au bout duquel la Jonction de deux semi-conducteurs présentant des phase de l’onde est brouillée. La cohérence spatiale gaps différents. caractérise l’étendue spatiale sur laquelle la phase Intervalle spectral libre de l’onde est préservée. Elle est liée à la possibilité de focaliser le faisceau sur une toute petite surface. Écart en fréquence entre deux modes longitudinaux d’une cavité optique. Déclenchement Inversion de population Méthode permettant de faire fonctionner le laser en régime impulsionnel, en diminuant rapidement Propriété d’un milieu dans lequel un niveau du haut les pertes du laser. Les impulsions obtenues ont des d’une transition est plus peuplé que le niveau du bas. durées de l’ordre de la nanoseconde. Laser Diode laser Acronyme équivalent de « Amplification de lumière Laser à semi-conducteur construit autour d’une par émission stimulée de rayonnement ». structure de diode, permettant d’obtenir l’inversion de Maser population grâce à l’injection d’un courant électrique. Acronyme équivalent de « Amplification de micro- Dispersion ondes par émission stimulée de rayonnement ». Variation de l’indice de réfraction d’un milieu avec la Milieu amplificateur longueur d’onde. Elle induit aussi un autre phéno- Milieu dans lequel on a réalisé par pompage une mène, appelé « dispersion de la vitesse de groupe », inversion de population, permettant d’obtenir un qui correspond à la variation de la vitesse de groupe gain par émission stimulée. avec la longueur d’onde, responsable de l’étalement des impulsions courtes. Mode Émission spontanée Excitation fondamentale d’une cavité optique, caractérisée par une fréquence, une polarisation et Émission de lumière due à la désexcitation spontanée une distribution spatiale données du champ élec- d’un atome sans l’aide d’un rayonnement incident. tromagnétique dans la cavité. Émission stimulée (ou induite) Optique non linéaire Mécanisme d’amplification de la lumière basé sur Domaine de l’optique dans lequel on crée de nouvelles un milieu en inversion de population. longueurs d’onde par interaction de la lumière avec Fabry-Perot un milieu non linéaire. Ce domaine est fortement Interféromètre optique à ondes multiples, constitué lié à l’augmentation de l’intensité permise par le de deux miroirs se faisant face. développement des lasers. Femtoseconde Pertes 1 fs = 10– 15 s. Proportion de la puissance lumineuse perdue pour un tour dans la cavité. Fibre optique Plasmon de surface Guide optique cylindrique, habituellement fabriqué en verre de silice. Onde électromagnétique se propageant en restant confinée à l’interface entre un métal et un diélectrique. L’onde est évanescente des deux côtés de l’interface. 6 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 Glossaire Bibliographie s e t r e Il existe de nombreux livres traitant des lasers. v u En voilà une sélection, qui contient des livres o c en français et en anglais. dé e d s n Pompage Livres de popularisation a Mécanisme permettant de réaliser l’inversion de 0 • F. Hartmann, Les Lasers, Presses Universitaires de France, 5 population. Collection « Que sais-je ? » (1974). , r Puits quantique • F. Gil, D’où vient la lumière laser ?, dans la collection e s Structure réalisée à base de couches de semi-con- « Les petites pommes du savoir », n° 77, éditions Le Pommier (2006). la ducteurs de gaps différents, dans laquelle on réalise • Le laser, coordonné par F. Bretenaker et N. Treps, EDP Sciences, Le un puits de potentiel carré pour les porteurs dans Collection Une introduction à… (2010).  une des trois directions de l’espace. • On lira aussi avec intérêt le numéro spécial sur « La lumière quantique », Les dossiers de La Recherche, n° 38 (février 2010). Térahertz Domaine de fréquence de 100 GHz à 10 THz, cor- respondant à des longueurs d’onde de 30 µm à 3 mm. Livres d’enseignement au niveau universitaire Seuil (niveau L3 à M2) Situation dans laquelle le gain par tour dans la • G. Gryndberg, A. Aspect et C. Fabre, Introduction aux Lasers et à l’Optique cavité est égal aux pertes. Pour un gain plus petit, le Quantique, Ellipses (1997). laser est sous le seuil et ne démarre pas. Pour un gain plus grand, le laser est au-dessus du seuil et • R. Farcy, Applications des Lasers : Principes Optiques avec Problèmes Commentés, peut démarrer. Dunod (1997). • L. Dettwiller, Les lasers et leurs applications, Ellipses (1998). Spectre • E. Rosencher et B. Vinter, Optoélectronique, Masson (1998). Répartition de la puissance du laser en fonction de la longueur d’onde ou de la fréquence. • B. Cagnac et J.-P. Faroux, Lasers, Interaction Lumière-Atomes, EDP Sciences, Collection Savoirs Actuels (2002). Structure hyperfine • D. Dangoisse, D. Hennequin et V. Zehnlé, Les Lasers, 2e édition, Dunod (2004). Séparation d’un niveau d’énergie atomique en états • C. Delsart, Lasers et Optique Non-linéaire, Ellipses (2008). d’énergies très proches, due au couplage entre le moment cinétique total des électrons avec le spin • C. Grynberg, A. Aspect et C. Fabre, An Introduction to Quantum Optics: du noyau de l’atome. From the Semi-classical Approach to Quantized Light, Cambridge (2010). Systèmes à trois et quatre niveaux Dans un « système à trois niveaux », le niveau du bas de la transition laser est le niveau fondamental Livres plus spécialisés (niveau M2 ou plus) de l’atome. Pour obtenir l’inversion de population, il • M. Sargent III, M.O. Scully et W.E. Lamb, Jr., Laser Physics, faut donc pomper de façon intense pour vider ce Addison-Wesley (1974). niveau et peupler le niveau du haut de la transition. En revanche, dans un « système à quatre niveaux », • A.E. Siegman, Lasers, University Science Books (1986). le niveau du bas de la transition laser n’est pas le • A. Yariv, Quantum Electronics, 3e édition, Wiley (1989). niveau fondamental de l’atome et est initialement • K. Petermann, Laser Diode Modulation and Noise, Kluwer (1991). vide : un seul atome porté dans le niveau du haut de la transition permet d’obtenir une inversion de • J. Hecht, The Laser Guidebook, 2e édition, McGraw-Hill (1992). population. Le gain est plus facile à obtenir. • G.P. Agrawal et N.K. Dutta, Semi-conductor Lasers, 2e édition, Van Nostrand (1993). Télémétrie • J.T. Verdeyen, Laser Electronics, 3e édition, Prentice-Hall (1995). Mesure de la distance à une cible. • L.A. Coldren et S.W. Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, Wiley (1995). Verrouillage de modes • L. Mandel et E. Wolf, Optical Coherence and Quantum Optics, Cambridge (1995). Méthode permettant de faire fonctionner le laser • C. Fabre et J.-P. Pocholle, Les Lasers et leurs Applications Scientifi ques et Médicales, en régime impulsionnel, en verrouillant en phase Éditions de Physique (1996). de nombreux modes du laser formant un peigne de fréquences. Les impulsions obtenues ont des durées • M.O. Scully et M.S. Zubairy, Quantum Optics, Cambridge (1997). de l’ordre de la femtoseconde ou de la picoseconde. • O. Svelto et D.C. Hanna, Principles of Lasers, 4e édition, Plenum (1998). • W.T. Silvfast, Laser Fundamentals, Cambridge (2004). • W. Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer (2006). • Handbook of Lasers and Optics, édité par F. Träger, Springer (2007). Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927 7 La première partie de ce numéro spécial comporte trois articles d’introduction, nécessaires à la compréhension des suivants. Tout d’abord, Charles Townes, prix Nobel de physique 1964, nous livre ses souvenirs de l’épopée de l’invention du laser. Puis, Catherine Schwob et Lucile Julien font un rappel simple, mais précis, des principes de base des lasers. Enfin, Sébastien Forget, Isabelle Robert-Philip et Philippe Balcou nous invitent à un tour d’horizon illustré des principaux types de lasers. Laser à colorant émettant un faisceau lumineux de couleur variable. Ce laser à colorant, permettant de générer des impulsions nanosecondes au voisinage de 600 nm, est utilisé pour générer des trains d’impulsions ultra-courtes (< 1 ps) à des débits supérieurs au térahertz (1012 s– 1). (Laboratoire de physique de l’Université de Bourgogne, Dijon.) © CNRS Photothèque / RAGUET Hubert. Histoire  et principe des lasers Souvenirs de la genèse du laser Charles H. Townes Professeur à l’université de Californie, Berkeley, USA Dans ce texte, Charles Hard Townes, inventeur du maser et père du laser optique, présente ses souvenirs de cette épopée. C.H. Townes a reçu (avec N.G. Basov et A.M. Prokhorov) le prix Nobel de physique en 1964, pour « des travaux de recherche fondamentale en électronique quantique, qui ont conduit à la construction d’oscillateurs et d’amplifi cateurs, basés sur le principe du maser-laser ». Les principes physiques qui régissent le chercheurs, mais sans trouver de solution. de physique, et le Professeur Rabi, son fonctionnement des lasers étaient connus Juste avant la dernière réunion du comité, prédécesseur, vinrent me trouver dans dès le début du e siècle. En 1924, Richard je me suis éveillé très inquiet de notre mon laboratoire : « Charlie, cela ne va pas XX Tolman écrivait déjà : « Les molécules dans manque de succès. C’était un matin enso- marcher, et tu le sais. Tu gaspilles l’argent un état quantique excité sont susceptibles leillé et je suis allé m’asseoir sur un banc du département, il faut arrêter. » Je n’étais de retourner à leur état fondamental et public. Je songeais que, bien entendu, pas d’accord et ils repartirent, très contra- renforcent ainsi le faisceau principal par molécules et atomes peuvent produire de riés. Environ deux mois plus tard, en absorption négative – on notera que la courtes longueurs d’onde, mais j’avais avril 1954, Jim Gordon débarqua dans quantité d’absorption négative peut être préalablement écarté cette possibilité : la l’amphi où je faisais cours, et lança : « Ça négligée pour les expériences d’absorption thermodynamique limite l’intensité des marche. » Nous nous sommes tous précipités faites dans les conditions standard »(1). Mais radiations émises à une quantité déterminée au labo pour voir ce nouvel oscillateur. la vraie reconnaissance de l’utilité de l’am- par leur température. Mais l’évidence me Kusch et Rabi étaient tous deux spécialis- plifi cation par absorption négative n’est inter- sauta aux yeux : les molécules et les ato- tes des faisceaux moléculaires et lauréats venue que trente ans plus tard. Par ailleurs, mes ne sont pas tenus d’obéir à la thermo- du prix Nobel. Cela montre que les avancées les lasers et différents masers existent autour dynamique. Il est en effet possible d’en dans la recherche ne sont pas le pur produit de certaines étoiles depuis des milliards avoir plus dans l’état excité que dans l’état de l’intelligence. Il faut savoir quitter les d’années. Si nous avions pris soin par le fondamental. Je me trouvais alors à l’uni- chemins balisés et prendre des risques. passé d’observer systématiquement le versité de Columbia. Dans ce laboratoire, Il apparut plus tard que Basov et Prokhorov, rayonnement micro-onde, nous aurions on cherchait à séparer différents états de en Union soviétique, travaillaient sur une découvert celui, intense, émis par les faisceaux d’atomes et de molécules et j’ai idée assez similaire. Mais nous ne nous masers autour des étoiles. Nous aurions pensé à utiliser cette technique. Sortant sommes rencontrés qu’après la mise au point probablement compris le mécanisme de ces un papier et un crayon de ma poche, je de notre système (le leur ne fonctionnait radiations et aurions entrepris l’étude des notais quelques nombres et équations pas encore). De nombreux Américains et lasers et masers bien plus tôt. appropriés. Ça avait l’air de marcher ! quelques Européens avaient visité mon labo De retour à Columbia, j’ai convaincu et vu l’expérience en cours, mais ils Dans les années 50, ma recherche portait sur un étudiant, Jim Gordon, d’essayer de s’étaient montrés sceptiques et peu inté- la microscopie micro-onde des molécules à construire ce type de système amplifi cateur. ressés. Et je ne connaissais personne qui l’aide d’oscillateurs électroniques. Ces outils Je disposais de tout l’équipement micro- ait été assez intéressé ou optimiste pour ne pouvaient délivrer des longueurs d’onde onde et connaissais parfaitement les spec- tenter de rivaliser. plus courtes que quelques millimètres. tres micro-ondes des molécules. J’ai donc Un jour au déjeuner, mes étudiants et moi Pourtant, c’était ce régime que je souhaitais décidé de faire l’expérience avec des fais- avons choisi le terme Maser pour désigner ce atteindre pour étudier les nombreux spectres ceaux de molécules d’ammoniac, pour nouveau système, acronyme de Microwave présents dans l’infrarouge. Après plusieurs amplifi er et produire un oscillateur à une Amplifi cation by Stimulated Emission of tentatives infructueuses dans cette direc- longueur d’onde d’un centimètre. Avec Radiation. Il faut dire que l’intérêt pour ce tion, j’ai été choisi pour présider un comité l’aide de Herb Zeiger, un postdoctorant, nouvel amplifi cateur crût signifi cativement national qui explorerait cette voie. Nous Jim Gordon travaillait depuis deux ans à après l’annonce de sa mise en œuvre. Ce nous sommes rendus dans de nombreux la construction de ce système quand le domaine de recherche devint stratégique et laboratoires et nous avons discuté avec les Professeur Kusch, directeur du département hautement compétitif. 10 Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927