• Le laser Lumière et matière

     

    LE LASER     LUMIÈRE ET MATIÈRE

    RUBRIQUE N°9                                                                                            10 Novembre 2015                                                                                 

    1) INTRODUCTION

    Cette rubrique N°9 est la suite logique de la précédente car nous voulons montrer que le phénomène de résonance concerne toutes les ondes, donc, après les ondes sonores, nous allons confronter ce phénomène aux ondes de type lumière, puis à l'électron qui est, suivant notre thèse, LA véritable onde électromagnétique, particule de base de la matière. Cette rubrique est donc consacrée au laser optique dont le principe de fonctionnement est identique au laser sonore précédemment décrit.

    Dans la rubrique N°10 ''le laser à atomes'', encore à l'étude, nous espérons montrer que ce même principe de fonctionnement du laser s'applique également à la matière. Nous voulons expliquer le rôle essentiel du phénomène de résonance et de l'électron, onde électromagnétique, dans la relation ''lumière et matière''. Nous verrons quelles sont les conditions à créer pour réaliser une expérience de refroidissement d'atomes à la température voisine du zéro absolu. Pour cette explication nous utiliserons non seulement les hypothèses de base exprimées dans les chapitres du blog ''paulpb eklablog.fr'', mais également les précisions et développements que nous avons apportés au cours des post-scriptum et rubriques suivantes de ce blog, et spécialement dans la rubrique N°3 qui concerne la supraconduction.

    Pour aborder toutes ces études, il est donc indispensable de prendre connaissance des bases de cette thèse, sinon le suivi des rubriques serait inconséquent. Un rapide résumé des principales hypothèses a été proposé en tête de la rubrique précédente N°7. Nous indiquerons au fur et à mesure les chapitres des rubriques auxquelles il convient de se référer. Dans le domaine des lasers, notre rubrique N°8 a déjà largement explicité notre thèse en se servant des ondes sonores. Nous étendons ci-dessous notre point de vue aux ondes lumière malgré la différence de milieu et surtout d'échelle.

    Dans le domaine du refroidissement des atomes, les recherches en cours relèvent de la physique expérimentale. Je n'ai aucun accès à ce domaine autre que les publications sur internet des laboratoires et des physiciens qui travaillent sur ces questions. Je dois citer en exemple l'article suivant :

    ''De la lumière laser aux atomes ultra-froids'' qui expose ''La physique des atomes froids présentée en termes simples par l'équipe "atomes ultra-froids" du Laboratoire Kastler Brossel, dirigée par Claude Cohen-Tannoudji*.

    *Prix Nobel de Physique 1997, avec Steven Chu et William D. Phillips, pour "le développement de méthodes pour refroidir et piéger des atomes avec des faisceaux laser".

    Un autre article m'a beaucoup intéressé, le voici :

    http://www.larecherche.fr/savoirs/physique/laser-a-atomes-quete-futur-industriel-01-09-2003-88194

    Par Chris Westbrook qui est directeur de recherche au laboratoire Charles-Fabry de l'institut d'optique du CNRS et de l'université Paris-Sud, Philippe Bouyer qui est chargé de recherche au laboratoire Charles-Fabry. et Cécile Michaut, journaliste scientifique.

    Enfin le livre ''Le Laser'' écrit par une équipe coordonnée par Nicolas Treps et Fabien Bretenaker, avec préface de Charles H. Townes, m'a instruit de toutes les difficultés rencontrées par les chercheurs dans la création d'instruments qui se sont finalement révélés être à l'origine d'une véritable révolution sociétale, et qui sont les prémices d'une nouvelle domination de l'homme sur la matière.

    2) LE LASER

    21) Principe de fonctionnement

    Le laser est défini par Wikipédia de la façon suivante :

    << Un laser (acronyme de l'anglais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », en français : « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ») est un appareil qui produit un rayonnement spatialement et temporellement cohérent basé sur l'effet laser. Descendant du maser, le laser s'est d'abord appelé maser optique. >>

    Nous avons vu dans la rubrique N°8 précédente, le passage historique du maser (micro-ondes) au laser (ondes lumière visible), c'est à dire à l'emploi d'appareils utilisant des ondes de plus en plus haute fréquence. Ainsi l'on passe de la fréquence du gigahertz à celle d'une plage de 400 à 700 térahertz (du milliard à 700.000 milliard d'hertz) ( en longueur d'onde du cm. à 300 nanomètres). D'autre part, le milieu de circulation de ces ondes est la ''substance de l'espace'' (voir chapitre 2 du blog) qui est le milieu interne à l'atome, et non l'air ou l'eau comme pour les ondes sonores.

    Mis à part ces deux différences, le principe général de fonctionnement de tous ces appareils reste le même. Nous avons décrit au chapitre N°3 de la rubrique N°6 les différentes parties constituant un instrument musical : l'émetteur d'ondes sonores, ( dispositif vibratoire, source), le dispositif de réglage du son (réglage des tons), l'amplificateur-émetteur (caisse de résonance). Ces parties se retrouvent dans les lasers qui émettent et amplifient les ondes de type lumière. Les émetteurs d'ondes radio (qui sont aussi des ondes de type lumière), fonctionnent également de la même manière.

    Au chapitre N°4 de la rubrique N°7, nous avons exposé le rôle de source vibratoire que l'électron (onde double de notre thèse) pourrait jouer dans l'atome. Le fait de considérer l'électron comme une onde (onde électromagnétique), dont la fréquence est augmentée par absorption d'énergie extérieure, ou est diminuée par retour à son niveau initial d'énergie avec émission d'onde lumière (par freinage), simplifie considérablement les explications qui concernent la source des ondes stimulées nécessaires au fonctionnement des lasers. De même, le fait que les relations entre particules se fasse par mise en résonance d'ondes et non par ''échange de grains d'énergie'' (de photons) constitue notre point de vue. A partir de ces considérations, nous pouvons décrire ci-dessous les différentes parties d'un laser.

    22) La source des ondes

    C'est un oscillateur, émetteur d'ondes à une fréquence fixe. Le principe de fonctionnement de l’émetteur est bien défini et n'est pas différent de celui des ondes radio ou micro-ondes. Mais, devant alimenter un système amplificateur d'onde en cavité, les ondes de type lumière émises par la source doivent avoir des propriétés spéciales. En premier, elles doivent être cohérentes, (rigoureusement la même fréquence), pures si possible (sans harmoniques), et émises en phase. Le faisceau d'onde doit être directif pour limiter les pertes. Mais surtout le débit d'ondes (l'intensité) doit être élevé, sinon l'amplification des ondes dans la cavité ne peut se produire.

    Pour réaliser cette dernière condition, il faut choisir comme source d'ondes (milieu d'oscillation) des éléments chimiques (gaz, liquides, solides) possédant suffisamment d'électrons susceptibles d'être excités au niveau de fréquence désiré. En retombant à leur niveau d'énergie primitif, ces électrons émettent l'onde lumière de la fréquence recherchée, ce qui excite par résonance d'autres électrons d'un autre atome de l'élément. Et ainsi de suite, ce qui constitue la première amplification d'intensité de la source . Ce phénomène est appelé ''pompage'', il permet d'obtenir le débit d'ondes nécessaire à l'opération suivante d'amplification en cavité de la puissance du laser. Notons que, pour effectuer le pompage, il est judicieux de ne pas utiliser comme niveau inférieur d'énergie le niveau fondamental (le plus près du noyau), mais un niveau intermédiaire, ce qui amène à faire travailler les électrons entre deux niveaux d'énergie du même élément, éventuellement de deux éléments différents dont les configurations électroniques correspondent (toujours par mise en résonance).

    Le choix des éléments constituant le milieu d'oscillation, source de ces ondes lumière stimulées, est essentiel en fonction de l'usage envisagé pour le laser. L'intensité (le débit) de ces ondes forcées est réglé en fonction de la puissance finale à obtenir, leur fréquence détermine la couleur du faisceau de lumière. L'énergie nécessaire au pompage des électrons (électricité ou autre) dépend du milieu d'oscillation de la source. Le nom du laser est d’ailleurs attribué en fonction du choix de la source et de la composition du milieu oscillant. On distingue les lasers à gaz, les lasers à colorants liquides, et les lasers à solides. Ces derniers, les plus récents, ont le plus grand avenir, nous en parlerons plus loin.

    23) L'amplification des ondes en cavité

    La source précédente d'ondes lumière stimulées (ondes forcées) émet donc ces ondes en direction d'une cavité constituant le milieu amplificateur. Leur débit doit être élevé, régulier et cohérent, mais certains lasers sont équipés de sources à impulsions ultra-brèves, de type flash, de grande puissance, ce qui limite les pertes par dissipation de chaleur et permet une meilleure directivité du faisceau de lumière entrant dans la cavité.

    L'élément principal de cette cavité est le milieu dans laquelle se réalise la véritable amplification de la puissance des ondes, elle se fait par mise en résonance des atomes du milieu constituant la cavité. Pour pouvoir résonner (même fréquence), ce milieu doit donc être le même ou contenir (par dopage) des atomes ayant une structure électronique pouvant se marier avec celle de la source. Ces atomes possèdent donc des électrons capables d'atteindre (par résonance), le même niveau d'énergie (la même fréquence) que ceux des ondes forcées entrantes.

    Nous avons vu (dans les rubriques N°7 et N°8) que, pour obtenir la mise en route du phénomène ''d'amplification par résonance'', la cavité doit avoir une dimension proportionnelle à la longueur d'onde de l'onde forcée qui y est introduite. La longueur de cette cavité doit être égale à la ½ longueur d'onde (ou à un de ses multiples) des ondes introduites par la source. Dans ce cas, le phénomène d'amplification par résonance se produit, comme nous l'avons vu dans le tuyau d'orgue, par interférence constructive, établissement d'onde stationnaire, augmentation de l'amplitude et donc de la puissance des ondes.

    Pour construire la cavité, le dispositif utilisé est constitué de 2 miroirs concaves dont l'un est un semi-miroir. Si ce mécanisme de réflexion constituant la cavité est correctement directif (minimum de pertes), et si la mise en phase est constructive, un puissant faisceau d'ondes monochromatique est émis par le laser à travers le semi-miroir.

    24) Le réglage final

    La sortie de la cavité d'un faisceau très fin d'ondes monochromatiques amplifiées constitue la finalité de l'appareil. L'onde est supposée en cohérence temporelle ( rigoureusement la même fréquence), ce qui n'est pas évident à cause des harmoniques qui apparaissent, mais, grâce à la résonance, un régime cohérent dominant finit par s'établir. Par contre il est nécessaire de rechercher une cohérence spatiale pour éviter des interférences entre les ondes émises, ce qui est nuisibles à la précision ponctuelle du rayonnement émis. Ceci peut être fait par un dispositif correctif adapté, par exemple une lentille qui focalise les ondes lumière.

    Le réglage de la puissance finale du faisceau d'onde émis est l'élément essentiel, puisque cette puissance conditionne l'usage et donc la conception même du laser. Ce réglage est réalisé dès la source de l'émetteur lors du pompage des électrons qui détermine l'intensité du rayonnement initial (le débit des ondes forcées). La puissance du faisceau d'ondes sorti du laser est la quantité d'énergie transportée par l'onde par unité de surface et par unité de temps, elle est proportionnelle au carré de l'amplitude que les ondes ont atteint dans la cavité. L'augmentation de l'amplitude des ondes à l’intérieur de la cavité est auto-limitée par les pertes inhérentes à la qualité des miroirs et au degré de saturation du système d'ondes. Il faut donc, pour obtenir le maximum de puissance d'un laser, utiliser un système de focalisation perfectionné du faisceau de sortie ou travailler par impulsions très brèves, nous verrons plus loin l’intérêt de cette dernière proposition.

    3) ONDES ENERGIE ET MATIÈRE SONT LIÉES DANS LE FONCTIONNEMENT ET L'UTILISATION DES LASERS

    Le fonctionnement des lasers est diffèrent suivant les matériaux résonnants utilisés, suivant la fréquence des ondes émises par la source, suivant la puissance du rayonnement de sortie, et en définitive, suivant l'utilisation finale désirée pour l'appareil. L'usage des lasers ne cesse de se diversifier et de progresser, mais l'étude des différents types de lasers et de leurs applications, quoique très instructive, ne rentre pas dans le cadre de cette rubrique. Par contre nous voulons montrer que c'est bien les propriétés des ondes qui conditionnent le fonctionnement des lasers et qui révèlent la possibilité de très nombreuses applications nouvelles. Nous donnerons ci-après quelques unes des pistes qui contribuent à développer de nouveaux usages.

    31) La course à la puissance du rayonnement de sortie

    Depuis la réalisation par Charles Townes en 1954 du Maser qui amplifiait les micro-ondes, les recherches ne cesse d'être orientées sur des ondes de plus grandes fréquences, infrarouges, lumière visible, UV, et maintenant rayons X, c'est à dire d'un niveau d'énergie supérieur. La puissance d'une onde est proportionnelle à l'énergie qu'elle transport par unité de temps. Cela correspond à un débit d'énergie. La puissance utile du laser est proportionnelle au carré de l'amplitude atteinte dans le laser et inversement proportionnelle au rayon du faisceau qu'il émet. Ce rayon est de l'ordre de dimension de la longueur d'onde (inverse de la fréquence utilisée).

    32) Les possibilités de réglage et d'utilisation

     Pour obtenir un laser puissant ou d'une puissance réglable et adaptée à l'utilisation prévue pour l'appareil, il est donc possible d'agir sur l'un ou plusieurs des facteurs indiqués (fréquence et débit de la source, durée des impulsions ou travail en continu, dimension de la cavité résonnante, qualité et forme des miroirs, focalisation du faisceau à l’intérieur et à la sortie de la cavité).

    Ce sont donc ces facteurs, propres aux ondes, qui sont à l'origine de la conception du laser, avec le phénomène de résonance bien sur. Mais toutes les autres propriétés des ondes peuvent être utilisées pour diversifier l'usage des lasers. Tout au long de notre étude nous avons rencontré, analysé et utilisé les propriétés des ondes. Voici un paragraphe de notre blog qui explicite ces propriétés :

    << La propriété des ondes périodiques de type lumière est de transmettre ''l'énergie'', émise par une source dans le milieu (substance de l'espace) sous forme de mouvement, à un éventuel récepteur susceptible de l'absorber et de la transformer pour son usage. Autour de la source les ondes sont sphériques, elle deviennent planes à grande distance. En fonction de sa nature, le récepteur peut réfléchir, réfracter, diffuser ou absorber ces ondes et donc leur énergie. Le récepteur et le milieu de transmission peuvent aussi les modifier, par polarisation, par biréfringence (effet Kerr), par effet Doppler et d'autres effets corrélatifs aux ondes. >>

    Toutes ces possibilité de réglage de l'appareillage et d'utilisation des propriétés des ondes, font du laser un outil central pour la physique de la matière et de l'énergie, pour la ''physique des ondes ''. Il peut sembler curieux que ni les physiciens ni les industriels n'en aient immédiatement perçu l’intérêt. Mais cela me semble normal puisqu'il s'agit d'ondes et non de (plus sérieuses) particules. En plus, considérés au départ comme des ''gadgets'' à usage du ''grand public'', les lasers n'ont rien de comparable à de puissants calculateurs ou à de coûteux cyclotrons. Est-il d'ailleurs raisonnable de mettre dans le domaine public des appareils capables de ''secouer'' les électrons, d'amplifier la puissance des ondes, d'émettre ''le rayon de la mort'' ? Je me permet de citer un extrait et des têtes de paragraphes du livre ''les lasers'' dont j'ai indiqué la référence ci-dessus : << Mais si personne n'avait alors besoin d'un laser, la suite de l'histoire a prouvé qu'il a en fait résolu un grand nombre de problèmes de science mais aussi de la vie courante. Faisons un rapide tour d'horizon de quelques-unes de ces applications....>>

    << Pour découper, pour souder, pour nettoyer....Pour communiquer....Pour soigner....Pour mesurer....Pour produire de l'énergie.... Pour s'émerveiller.... Pour comprendre...>>

    Ce livre qui date de Mars 2010, est une mine remarquable d'informations. Il développe tous les paragraphes précédents, et explique le fonctionnement de tous les types de lasers correspondant à toutes les applications. Celles-ci sont et seront de plus en plus nombreuses. Cela est évident puisque le laser amplifie la puissance des ondes et que ''la matière est faite d'ondes''

    33) Les développements les plus importants

    331) La diode-laser

    Ce qui caractérise ce type de laser est la nature de la source qui émet les ondes lumière. La diode laser réunit plusieurs technologies, celle des diodes qui permettent de filtrer et réguler les ondes, comme en radio, ensuite celle des semi conducteurs (cristaux dopés) qui, grâce à une bonne correspondance des configurations atomiques des deux composants dopant (arséniure de gallium par exemple), sont capables de fournir un important débit d'ondes de type lumière lorsqu'ils sont parcouru par un courant électrique. Cette alimentation électrique avec la facilité de réglage qu'elle procure, la miniaturisation possible de ces éléments et la facilité de fabrication de cette diode électroluminescente (DEL en anglais) font que leur prix de revient est réduit pour des lasers qui s'adaptent à tous les besoins. Pour certains usages la diode peut également être considérée comme une cavité de résonance, car les faces opposées du cristal semi conducteurs peuvent servir de miroirs entre lesquels les ondes lumière sont amplifiées. Cela devient donc un laser presque entier.

    Pour montrer l'importance actuelle et le devenir possible de cette technique, je cite Wikipédia << Une diode laser est un composant opto-électronique à base de matériaux semi-conducteurs.... L'opto-électronique est à la fois une branche de l'électronique et de la photonique. Elle concerne l'étude des composants électroniques qui émettent ou interagissent avec la lumière.... L'opto-électronique a pris son essor dans les télécommunications par fibre optique. Son avenir est sans doute plus considérable. Il passe par l'enseignement et la diffusion des nouvelles technologies optoélectroniques. >>

    << Une diode laser émet de la lumière monochromatique cohérente (une puissance optique) destinée, entre autres, à transporter un signal contenant des informations sur de longue distances (dans le cas d'un système de télécommunications) ou à apporter de l'énergie lumineuse pour le pompage de certains lasers (lasers à fibre, laser DPSS) et amplificateurs optiques (OFA, Optical Fiber Amplifier). La diode laser est un composant essentiel des lecteurs et graveurs de disques optiques, dans ce cas elle émet le faisceau lumineux dont la réflexion sur le disque est détectée par une photodiode ou un phototransistor. >>

    332) Le laser femtoseconde

    Nous venons de voir que la diode laser est un des moyens utilisés pour obtenir un puissant débit d'ondes lumière dans la cavité amplificatrice du laser, donc en final, un faisceau laser puissant et facilement réglable. Une autre façon (complémentaire) d'augmenter encore la puissance et de l'ajuster aux besoins des utilisateurs, consiste à ''concentrer'' ce débit dans des séries d'impulsions si courtes que leur durée se mesure en femtoseconde, c'est à dire en millionième de milliardième de seconde (10 puissance moins 15 seconde). Certain laboratoires arrivent même à la centaine d'attoseconde (10 p.-18 s.). Cela permet de découper sans chauffer des métaux ou des matériaux inflammables et d'effectuer des actes de chirurgie extrême, oculaire ou cérébrale par exemple.

    Les différentes techniques qui permettent cette concentration de lumière dans le temps, utilisent les diverses propriétés des ondes ( résonance, diffraction, réflexion, diffusion, absorption...) Par ''manipulation'' des ondes, on arrive à séparer les différentes composantes (fréquences) d'une même onde, pour ensuite les resynchroniser. On étale donc les impulsions dans le temps pour ensuite les recompresser. Les techniques s’appellent ''verrouillage de mode'' ou ''régime déclenché'', ou ''amplification à dérive de fréquence'', ou ''méthode des miroirs dispersifs''. Le but est toujours d'intervenir sur la matière avec le maximum de puissance en utilisant les nombreuses propriétés des ondes lumière. Plus exactement en réglant la puissance des onde en fonction des travaux à effectuer. L'éventail des possibilités offertes par la considérable puissance des nouveaux lasers ne cesse de croître.

    Toutes ces techniques sont assez complexes mais voici une explication rapide et sûrement simpliste de la méthode. Dans la cavité amplificatrice, au lieu d'une seule onde monochromatique, on utilise une onde complexe, avec tout son spectre (ses ''modes'', fréquences et harmoniques). En utilisant les propriétés des ondes ainsi que certains effets propres aux ondes, tels que les effet Kerr et Doppler, on arrive à resynchroniser toutes ces ondes afin de les ''amplifier en phase'', ce qui augmente la puissance du faisceau de sortie et réduit la durée des impulsions. Les progrès les plus spectaculaires et les plus récents se font donc dans la cavité amplificatrice en utilisant les propriétés des ondes précédemment indiquées. On arrive également à ''manipuler'' des ondes à plus haut niveau d'énergie ''à plus haute fréquence'' comme les rayons ultra-violets et les rayons X. On atteint donc les ondes électromagnétiques (les électrons) et donc le cœur de la matière, comme nous le verrons dans la prochaine rubrique.

    4) CONCLUSION PROVISOIRE

    Nous sommes très loin d'avoir épuisé l'étude des lasers, de leurs nombreuses applications actuelles et de toutes les pistes de développements qu'il est possible dès maintenant d'envisager. Le sujet de mon blog n'est pas celui-ci. Je cherche seulement à confronter les hypothèses de base de ce blog à la réalité de la physique expérimentale actuelle, en espérant prouver que la ''physique des ondes'' est universelle et que les propriétés des ondes sont LA base de toute la physique théorique.