Le laser qui dévoilera la masse manquante de l'Univers

Le spécialiste des lasers ultrarapides, Jean-Claude Kieffer, au milieu du système laser du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de recherche scientifique (INRS).<br />
Photo: Source: Institut national de recherche scientifique Le spécialiste des lasers ultrarapides, Jean-Claude Kieffer, au milieu du système laser du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de recherche scientifique (INRS).

Depuis l'invention de la méthode d'amplification CPA en 1985, les chercheurs n'ont cessé d'accroître la puissance et l'intensité des lasers. Ils ambitionnent maintenant de créer un laser d'une puissance atteignant le zettawatt, qui générerait l'équivalent d'un milliard de fois la puissance de tous les réseaux électriques du monde en un temps extrêmement bref, de l'ordre de 10-15 seconde. Une telle puissance devrait permettre de découvrir la composition du vide, voire celle de la masse manquante de l'Univers.

À la fin des années 1970, il était impossible de fabriquer des lasers dont la puissance dépassait le gigawatt (109 watts), se souvient Gérard Mourou, directeur du Laboratoire d'optique appliquée à l'École polytechnique de Paris. «On tentait bien d'amplifier les impulsions lumineuses en les faisant passer à travers des matériaux optiques, des matériaux dits amplificateurs, dont on avait excité les atomes par des lampes flash. Mais dès que les impulsions devenaient trop intenses, elles endommageaient le matériau. On s'est donc longtemps demandé comment amplifier la lumière sans détruire le matériau», raconte le chercheur français, qui était de passage au Québec en janvier dernier alors que le Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'INRS lui décernait la nouvelle Chaire d'excellence Jacques-Beaulieu, baptisée ainsi en l'honneur de l'éminent physicien québécois qui fut l'inventeur du laser à dioxyde de carbone (CO2-TEA).

En 1985, avec la Canadienne Dona Strickland, Gérard Mourou, qui était alors professeur à l'Université de Rochester aux États-Unis, eut une idée rusée. Jusqu'alors, on avait réussi à accroître tant bien que mal la puissance des lasers en réduisant la durée des impulsions, étant donné que la puissance correspond à l'énergie divisée par le temps. «Même si l'énergie n'est pas très élevée, si on la délivre en un temps très bref, on peut obtenir des puissances importantes, explique le physicien.

Pour accroître l'énergie des impulsions, les chercheurs s'appliquèrent alors à étirer les impulsions lumineuses dans le temps — les faisant passer d'une durée de quelques dizaines de femtosecondes (10-15 seconde) à quelques nanosecondes (10-9 seconde) — en leur faisant traverser des réseaux de diffraction. Cette manipulation «a réduit de 100 000 fois la puissance des impulsions, sans toutefois modifier leur énergie», précise M. Mourou. Les chercheurs amplifièrent ensuite les impulsions et, une fois que celles-ci eurent emmagasiné toute l'énergie voulue, ils les recomprimèrent.

Grâce à l'invention de cette méthode d'amplification, dite CPA (Chirped Pulse Amplification), on a pu dès alors accroître considérablement la puissance et l'intensité des lasers. À ce jour, les chercheurs ont réussi à produire des lasers à impulsions excessivement brèves, mais ayant une puissance crête qui atteint le pétawatt (1015 watts), soit 1000 fois la puissance de toutes les centrales électriques du monde. «Quand on atteint de telles puissances, les propriétés de propagation de la lumière changent, car nous rentrons dans un domaine de la physique qu'on appelle l'optique relativiste», fait remarquer Gérard Mourou.

«Les photons deviennent des pistons extrêmement puissants qui accélèrent les électrons, les protons, les ions», ajoute Jean-Claude Kieffer, spécialiste des lasers ultrarapides à l'INRS.

«Avec les lasers d'aujourd'hui, la lumière peut exercer des pressions énormes, atteignant celle qu'exerceraient 10 millions de pétroliers géants sur un doigt. Si on poussait des électrons avec de telles pressions, ils seraient sujets à des accélérations considérables, supérieures à 1022 fois la gravité. Or, si on appliquait une accélération ne dépassant pas la gravité sur un électron, il lui faudrait une année pour atteindre la vitesse de la lumière. Et là, on peut amener les électrons à la vitesse de la lumière en quelques femtosecondes [10-15 seconde]», poursuit Gérard Mourou, tout en précisant que de tels lasers permettent de créer des accélérateurs de particules extrêmement compacts. «On peut actuellement doter des électrons d'une énergie cinétique de l'ordre du gigaélectronvolt [GeV: 109 eV] sur une distance d'un centimètre, alors que normalement il faut des dizaines de mètres pour atteindre ce niveau d'énergie.»

Rêver à des lasers plus puissants


Actuellement, le Grand Collisionneur de hadrons (ou Large Hadron Collider, LHC) du CERN fait 27 kilomètres de circonférence et permet d'obtenir des électrons dotés d'une énergie de l'ordre du téraélectronvolt (TeV: 1012 eV). Mais les chercheurs aimeraient aller au-delà et atteindre le pétaélectronvolt (PeV: 1015 eV). Or, avec la technologie actuelle, il leur faudrait un accélérateur de la circonférence de la Terre pour produire des particules au PeV. Par contre, les lasers leur permettraient d'y arriver sur des distances beaucoup plus courtes.

Aujourd'hui, Gérard Mourou rêve à des lasers encore plus puissants. En novembre 2011, il participait au lancement de l'International Center on Zetta-Exawatt Science and Technology (IZEST) qui vise à mettre au point des lasers à impulsions extrêmement brèves, de l'ordre de la femtoseconde dans le régime de l'exawatt (1018 watts) et du zettawatt (1021 watts). «Il y a toutefois des défis technologiques importants à relever pour atteindre l'exawatt et le zettawatt, des défis sur lesquels nous allons travailler avec Jean-Claude Kieffer de l'INRS», souligne M. Mourou.

Premièrement, «nous ne disposons pas à ce moment-ci de matériaux adéquats en matière de qualité et de dimension. Il nous faut arriver à synthétiser des cristaux de très grandes dimensions [car on ne peut faire passer qu'une certaine quantité d'énergie par centimètre carré], qui seront compatibles avec les puissances que nous désirons atteindre, précise Jean-Claude Kieffer. Le deuxième enjeu majeur est la tenue des optiques. Il nous faut des miroirs et des réseaux de diffraction ayant des qualités optiques suffisantes. Et un autre défi sera de manipuler ces faisceaux lasers de sorte qu'ils se propagent sur de longues distances, de l'ordre de quelques dizaines de mètres, tout en gardant leur qualité.»

Le laser de l'INRS, qui est d'une puissance de 200 térawatts (1012 watts), sera utilisé comme système de petite échelle pour tester un certain nombre de concepts, comme celui d'un miroir plasma — très chaud — qui permettra de réfléchir les faisceaux très énergétiques sans en déformer la qualité.

Composition du vide

Gérard Mourou caresse aussi le projet de créer des lasers d'intensités très élevées qui permettraient de réaliser les expériences qu'ont proposées des physiciens théoriciens pour sonder la composition du vide.

Einstein savait qu'il existait forcément quelque chose dans le vide puisque la lumière s'y propage. Or on sait aujourd'hui que le vide est composé de particules et d'antiparticules qui sont liées les unes aux autres, rappelle Gérard Mourou. «Nous tenterons de séparer les particules des antiparticules grâce au champ électrique produit par des lasers très intenses. Quand on appliquera le champ électrique, toutes les particules et antiparticules s'orienteront suivant la direction imposée par ce champ électrique si le vide est comme on le suppose. S'il y a autre chose, comme des particules qu'on ne connaît pas, ce quelque chose incurvera nos données, et cela nous donnera des indices sur les constituants de la masse manquante», explique-t-il.

Pour réaliser ces expériences, il faudra toutefois disposer de lasers de très hautes intensités capables de générer des champs électriques immenses afin de pouvoir séparer les particules des antiparticules. Pour ce faire, les chercheurs devront arriver à focaliser cette lumière de puissance gigantesque sur un petit point de quelques microns. À l'INRS, on utilisera dans les prochains mois des miroirs plasma pour focaliser la lumière, ce qui permettra d'atteindre des intensités de l'ordre de 1023 watts par cm2. «Mais pour commencer à voir quelque chose dans le vide, il faudrait disposer d'intensités de 5 x 1024 watts par cm2, que l'on espère obtenir avec un laser pétawatt équipé de miroirs plasma», précise M. Kieffer.

«Nous sommes en train de poser les premiers jalons. Ce n'est pas fou de penser atteindre l'exawatt à l'horizon de 2020. On peut l'affirmer sans avoir l'air ridicule, au vu de l'évolution actuelle de la technologie et des budgets énormes qui sont investis en Europe», déclare le chercheur de l'INRS.

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Amplifier la lumière

C'est en 1960 que l'Américain Theodore Mainman mettait au point le tout premier laser, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, qui signifie amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement. Depuis, cette invention a révolutionné notre vie. Le laser sert aujourd'hui à lire les codes-barres, les CD et les DVD, à mesurer des distances, la vitesse d'objets, tels que des voitures, les traces de polluants, à nettoyer les surfaces noircies des bâtiments de pierre, à analyser les pigments des fresques anciennes, à découper, à percer, voire à réaliser des chirurgies de l'oeil.

Le principe de fonctionnement du laser consiste à amplifier de la lumière et à l'ordonner. Lorsqu'un atome se trouvant dans un état excité et instable passe à un niveau plus bas d'énergie, il émet spontanément un photon, explique-t-on dans un documentaire réalisé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France pour les 50 ans du laser. Si l'atome reçoit un photon alors qu'il se trouve dans un état excité, il émettra un second photon identique au moment où il passera à un niveau de plus basse énergie, ce qui amplifiera d'autant l'onde lumineuse qui sera émise. La première étape, appelée le pompage, consistera à fournir de l'énergie à un matériau afin d'obtenir de nombreux atomes dans le même état d'excitation. On obtient ainsi un grand nombre de photons de même longueur d'onde se propageant dans la même direction. La seconde étape consiste à placer cet amplificateur de lumière entre deux miroirs. L'onde lumineuse se réfléchit alors sur les miroirs et à chaque passage dans l'amplificateur, elle se renforce. L'un des deux miroirs laisse passer un peu de lumière, et c'est de là qu'est émis le faisceau laser. Tous les lasers fonctionnement sur le même principe, mais les matériaux amplificateurs peuvent être gazeux (hélium-néon), liquide ou solide (rubis).
 
2 commentaires
  • David Savoie - Inscrit 11 mars 2012 12 h 21

    Quel progrès en peu de temps

    Article très intéressant pour quiconque s'intéresse à la science fondamentale. Toutefois, il serait intéressant de corriger l'écriture des exposants, si possible. Lorsque l'on écrit que 1 gigawatt = 109 watt, il faut avoir quelques bases en science pour comprendre que le 9 est un exposant. Même chose pour une femtoseconde = 10-15 secondes. Ça semble long! Or, c'est 10 exposant -15...

  • Jean Ellezam - Inscrit 15 mars 2012 13 h 34

    quelle générosité ce savant

    Félicitation. Quel grand savant!!! de toute façon on le savais. On ne peut-être aussi généreux sans donner l'essentiel de ce qu'on est à l’humanité. Sans cette volonté de chercher à offrir, à s'offrir, on ne peut contribuer aux découvertes renversantes si prometteuses. C'est la trempe de ses gens exceptionnels que d'être des phares. Leur lumière éclaire les mystères insondables qui nous révèlent tant. Merci Jean Claude Kieffer