Une lumière stupéfiante promise à un grand avenir
IL Y A dix ans, donc en 1960, on a produit pour la première fois une nouvelle sorte de lumière, jamais vue sur la terre. C’est la lumière la plus intense, la plus brillante et la plus pure que l’homme connaisse. Des milliards de fois plus intense que la lumière du soleil à sa surface, elle peut percer le diamant, substance la plus dure connue, et transformer en gaz n’importe quel élément terrestre.
La manière de réaliser cette lumière stupéfiante fut suggérée tout d’abord dans un mémoire publié en 1958 par deux savants américains, Arthur Schawlow et Charles Townes. Deux ans plus tard, Theodore Maiman construisit le premier dispositif qui produisit de brefs éclats de la lumière proposée, dispositif que l’on a baptisé laser. Ce nom est composé des initiales des mots anglais light amplification by stimulated emission of radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de radiations). Effectivement, le laser amplifie ou intensifie la lumière.
Cette découverte fut l’objet d’une publicité sans précédent. Les possibilités de ce rayon lumineux embrasaient l’imagination des hommes. Les militaires y voyaient une arme incomparable, un véritable rayon de la mort. D’autres songeaient aux applications éventuelles du laser dans la médecine et l’industrie.
Développement et vente
Cependant, au début, les savants connurent bien des déceptions au cours de leurs travaux visant à transformer cette curiosité de laboratoire en appareil d’une valeur pratique. Depuis quelque temps, toutefois, le laser commence à justifier les espoirs qu’il avait fait naître, car on a mis au point des lasers plus puissants et plus efficaces et on leur a trouvé des applications sans cesse plus nombreuses. Aujourd’hui, on vend chaque année des milliers de ces dispositifs, fait qui témoigne de leur succès.
En 1965, on a dépensé, estime-t-on, 485 000 000 de francs français pour l’achat de lasers ou de leurs parties constituantes, ainsi que pour les recherches sur cette nouvelle source lumineuse (60 pour cent de cette somme furent consacrés aux recherches). Aujourd’hui, on estime le chiffre d’affaires annuel de l’industrie du laser à un milliard et demi de francs français. Cependant, cette industrie se développe à tel point que certaines autorités en la matière prédisent qu’au début des années 70, elle atteindra un chiffre d’affaires d’au moins cinq milliards. Certains lasers se vendent pour 1 000 francs français, tandis que d’autres coûtent plus de 50 000 francs.
Il est vrai que ce dispositif n’est qu’aux premiers stades de son développement. Le Dr Schawlow déclara à ce propos : “Le laser est encore un dispositif très primitif, l’équivalent du poste à galène ou de l’avion de 1910.” Cependant, lorsqu’on songe à toutes les réalisations dont il est capable, on comprend pourquoi bon nombre d’industries consacrent tant d’efforts et d’argent aux recherches dans ce domaine.
Une puissance stupéfiante
La puissance de la lumière intensifiée par le laser est stupéfiante. On a décrit en ces termes une démonstration de cette puissance : “Le technicien le pointe [le laser] sur un morceau d’acier de l’épaisseur d’une pièce d’un franc, en concentrant la lumière, à l’aide d’une lentille, en un pinceau lumineux très étroit. (...) On entend un sifflement suivi d’un claquement sec. Une gerbe d’étincelles incandescentes s’envole de la pièce d’acier, transpercée par cette redoutable explosion lumineuse.”
À mesure que l’on met au point des lasers de plus en plus puissants et efficaces, la perspective d’un véritable “rayon de la mort” risque de devenir une réalité. Les savants parlent déjà de la possibilité d’utiliser le laser comme arme contre les missiles.
Toutefois, bien que certains lasers soient capables de produire un rayon lumineux d’une puissance mortelle, d’autres sont si faibles que l’on peut placer la main devant le faisceau lumineux sans le moindre danger. Et pourtant, l’intensité d’un faisceau même très faible est stupéfiante, comme on l’a montré dernièrement à l’aide d’un engin Surveyor qui atterrit sur la Lune.
Ce laboratoire lunaire renfermait une caméra de télévision pointée vers une partie de la Terre qui se trouvait dans les ténèbres. Plusieurs rayons laser furent émis de la Terre vers la Lune, distante de quelque 390 000 kilomètres. Il s’agissait de rayons d’une puissance d’un ou deux watts seulement, donc beaucoup plus faibles qu’une ampoule de 60 watts. Néanmoins, la caméra de télévision placée sur la Lune les capta et renvoya vers la Terre une image de ces points lumineux. Aussi étonnant que cela paraisse, le rayon laser parut plus brillant sur la Lune que les centaines de millions de lumières électriques d’une grande agglomération comme Paris, Londres ou New York.
Comment produit-on une lumière aussi intense ? Qu’est-ce au juste que le laser ? Comment fonctionne-t-il ?
Lumière cohérente et lumière incohérente
La lumière ordinaire, visible, a une caractéristique bien particulière : elle est incohérente, c’est-à-dire désordonnée. Ses ondes de différentes longueurs se propagent dans des directions différentes. Au moyen de réflecteurs, comme ceux d’un phare, on peut diriger la lumière ordinaire dans une seule direction. Cependant, les ondes à l’intérieur du faisceau sont toujours désordonnées et finissent par s’étaler et se disperser.
Le laser est un dispositif qui produit une lumière cohérente constituée essentiellement d’une longueur d’onde unique. Ces ondes se propagent toutes dans la même direction, à la manière d’une colonne de soldats marchant en rangs serrés. Une seconde colonne se joint à la première, marchant du même pas, puis une troisième, si bien que la colonne initiale se trouve amplifiée, renforcée. Le laser est un dispositif qui rassemble des ondes lumineuses de même longueur et les émet en phase dans une même direction. C’est ainsi que l’intensité de la lumière est amplifiée de façon stupéfiante.
Le premier rayon laser, produit en 1960, avait pour source un rubis synthétique. Cependant, aujourd’hui, le laser à rubis n’est qu’une des nombreuses sortes de lasers. En dehors des lasers à corps solide, dont il est un exemple, il existe divers lasers à gaz qui utilisent l’hélium-néon, l’argon ionisé et l’anhydride carbonique. Le rayon provenant d’un laser à gaz est généralement plus cohérent que le rayon produit par un laser à corps solide. De plus il est continu.
Dans la plupart des cas, le rayonnement émis par le laser est visible à l’œil humain, car celui-ci est sensible à sa longueur d’onde. Cependant, d’autres radiations électromagnétiques sont invisibles pour l’homme, et notamment les ondes radio, les ondes infrarouges, les micro-ondes, les rayons X et les rayons cosmiques. Au début des années 1950, le Dr Townes inventa un dispositif capable d’émettre des micro-ondes en phase et amplifiées de nombreuses fois. Ce dispositif reçut le nom de maser, qui est dérivé des mots anglais microwave amplification by stimulated emission of radiation (amplification de micro-ondes par émission stimulée de radiations). C’est en partant de l’hypothèse que le principe du maser pouvait être appliqué aux radiations électromagnétiques visibles, que l’on a inventé le laser. C’est pourquoi on appelle parfois ce dernier un maser optique.
Les applications du maser
Pour étudier la source des signaux électromagnétiques très faibles provenant de l’espace et captés sur la Terre, il est nécessaire de les amplifier. Le maser amplifie donc ces signaux faibles sans y introduire de bruits de fond ou d’autres radiations, comme le font les autres dispositifs pour l’amplification de micro-ondes. On a employé le maser, par exemple, pour mesurer les ondes électromagnétiques d’une longueur de 31,75 millimètres provenant de la planète Jupiter. Grâce aux renseignements ainsi obtenus, les astrophysiciens ont pu déterminer que la température de Jupiter est de l’ordre de 96 degrés au-dessous de zéro.
Le maser peut également être utilisé en horlogerie. Une pendule mesure le temps au moyen d’un mouvement périodique décrit par un balancier. Les oscillations de l’onde électromagnétique dans un maser sont périodiques et, de plus, extrêmement constantes ; elles ne varient pas lors d’un changement de température ou de lieu. Ces oscillations ont une si grande précision qu’une horloge à maser n’avancerait ou ne retarderait guère plus de trois ou quatre secondes en mille ans.
Les applications du laser
Cependant, c’est le laser qui a de loin les plus nombreuses applications. On lui a trouvé quantité d’usages ingénieux dans l’industrie, la médecine, la technologie militaire et spatiale.
Certaines applications du laser sont dues au fait qu’il est possible de concentrer toute la puissance du faisceau lumineux sur un point extrêmement petit. De même que l’on peut employer une loupe pour concentrer les rayons solaires sur un endroit précis afin d’y allumer du feu, la lumière du laser peut être concentrée sur un point minuscule.
L’intensité du faisceau lumineux permet d’employer ce dernier pour perforer les substances les plus dures. La Western Electric Company utilise un laser à rubis pour percer des trous dans les minuscules diamants qui servent de filières dans la fabrication du fil de cuivre très ténu. Le laser accomplit ainsi en quelques minutes une opération qui demandait des heures et même des jours lorsqu’on effectuait par les procédés classiques.
Le laser s’emploie également pour vaporiser des quantités infinitésimales de la matière dont on fabrique les instruments de précision, comme le balancier d’une montre. S’il le faut, on peut analyser la substance vaporisée à l’aide d’un spectographe, afin d’en déterminer la composition chimique. La Jarrell-Ash Company de Waltham (États-Unis), a vendu à cette fin de nombreux instruments à laser au prix de 15 000 dollars (84 000 francs français) la pièce.
Cet instrument, dénommé microsonde, a permis d’établir qu’un tableau censé être exécuté par un peintre du seizième siècle était un faux. Le tableau fut placé sous le microsonde et soumis à un éclat, de puissance approprié, du faisceau laser, lequel vaporisa une quantité infinitésimale de peinture, laissant dans le tableau un cratère imperceptible. Le panache de matériau vaporisé fut soumis à l’analyse du spectographe, qui révéla la présence de traces de zinc. Or, les pigments à base de zinc n’ont pas été utilisés par les peintres avant 1820 !
Le laser trouve une autre application importante comme instrument de mesure. La Société Boeing et d’autres entreprises de construction aérospatiale utilisent le laser pour effectuer divers calibrages et mesures. Le faisceau laser s’emploie également pour les soudures délicates nécessitant une grande précision.
Les applications du laser en médecine se multiplient. Il s’est révélé particulièrement efficace pour réaliser la photocoagulation de la rétine. Traversant la cornée, transparente, et d’autres parties de l’œil, la lumière atteint la rétine qu’elle “ressoude” au tissu qui est derrière. On a également traité avec succès, au moyen du laser, les mélanomes, tumeurs noirâtres qui absorbent les rayons laser.
Son avenir
Toutefois, sans aucun doute, les applications les plus spectaculaires du laser sont encore à venir. Le Dr Schawlow a prédit que d’ici vingt ans ce dispositif sera utilisé couramment “au bureau, à l’usine et au foyer, où l’on pourra même s’en servir pour éplucher les pommes de terre”. On va bientôt mettre sur le marché un laser pour effacer les erreurs de frappe de la dactylo.
Les dentistes songent à employer le laser pour enlever les caries. Puisque la carie est de teinte plus foncée, elle absorbera la lumière laser et se vaporisera, laissant intacte la partie non cariée de la dent.
Les possibilités du laser dans le domaine des télécommunications paraissent particulièrement étonnantes. Théoriquement, un faisceau laser pourrait transmettre le texte entier de l’Encyclopédie britannique en une fraction de seconde. Il pourrait également transporter simultanément tous les messages radio, télévisés et téléphoniques du globe.
Les ingénieurs de l’Institut de technologie du Massachusetts effectuent en ce moment des expériences avec des lasers conçus pour pulvériser le roc. Ces appareils serviraient à percer des tunnels pour routes et voies ferrées. Il se peut que le laser rende également possible la photographie à trois dimensions ainsi que d’immenses écrans de télévision recouvrant tout un mur. Le Dr Townes déclara lors d’une entrevue :
“Nous aurons peut-être un jour des écrans de télévision ayant les dimensions d’un écran de cinéma. (...) Aujourd’hui, si l’on projetait l’image d’un tube de télévision sur un écran très grand, elle serait trop sombre. Si on faisait balayer l’écran par un faisceau laser, on obtiendrait une image de bonne qualité suffisamment claire, et même en couleurs, car on peut produire des faisceaux lasers de diverses couleurs. (...) Je crois que le procédé sera simple et pratique. Il se peut très bien que nous ayons le grand écran avant la télévision à trois dimensions.”
Dans les dix années écoulées depuis sa naissance, cette nouvelle sorte de lumière trouve donc d’innombrables applications. Cependant, elle n’en est qu’à ses débuts. En vérité, elle est promise à un grand avenir !