Les lasers sont omniprésents. Ils lisent des codes à barres, corrigent la vision, mettent des tableaux de niveau, coupent des métaux, détruisent des ennemis, rehaussent des spectacles et font des tonnes d’autres choses.

Il y a 60 ans cette semaine, Gordon Gould, jeune étudiant diplômé de l’Université Columbia, dessinait dans son cahier de notes quelques esquisses d’un dispositif d’émission de lumière, puis les faisait authentifier dans un magasin de bonbons du Bronxx.

Il ne pouvait pas prévoir toute l’importance de ce qu’il venait de concevoir : un dispositif d’amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement, en anglais light amplification by stimulated emission of radiation (longue expression qu’il a abrégée par l’acronyme LASER).

Les recherches théoriques et expérimentales qui ont suivi ont mené à certains des progrès les plus importants, et au bout du compte les plus utiles, de l’histoire de la physique.

Un laser est un dispositif qui émet un faisceau étroit de lumière. Les ondes électromagnétiques de la lumière émise par un laser sont toutes de la même couleur (fréquence) et elles vibrent toutes de manière synchronisée (elles sont en phase). Le faisceau « cohérent » de lumière qui en résulte ne diverge que très peu de sa trajectoire rectiligne.

Le fonctionnement du laser s’explique grâce à la physique quantique. Si l’on emmagasine de l’énergie supplémentaire dans un matériau, celui-ci libère souvent cette énergie sous forme de photons. À leur tour, ces photons font en sorte que les atomes avoisinants émettent davantage de photons, créant une cascade qui résulte en un faisceau de lumière cohérente.

De nombreux matériaux différents permettent de fabriquer la partie active d’un laser. Certains cristaux, verres, gaz et polymères peuvent « laser » (c’est-à-dire émettre une lumière laser) avec différents résultats. Certains produisent des impulsions à haute énergie, alors que d’autres permettent aux fibres optiques de fonctionner.

Le projet Breakthrough Starshot, annoncé en 2016 par Stephen Hawking et l’investisseur en capital de risque Yuri Milner, vise à mettre au point une flotte de minuscules vaisseaux spatiaux propulsés par des lasers en direction d’Alpha du Centaure. Les vaisseaux proposés « navigueront » sur des lasers et atteindront près de 20 % de la vitesse de la lumière.

Les lasers les plus communs aujourd’hui sont au cœur de nos appareils électroniques. Les diodes à laser contenues dans les semiconducteurs ne font que quelques millimètres. Ce sont les plus petits lasers que nous utilisons.

Deux lasers à angle droit, voyageant chacun sur une longueur de 4 kilomètres, ont servi à la détection historique en 2015 d’ondes gravitationnelles par le projet LIGO. Les ondulations gravitationnelles produites par la collision de deux trous noirs il y a 1,3 milliard d’années ont raccourci la trajectoire de l’un des deux lasers d’une manière minuscule mais mesurable.

La puissance des premiers lasers se mesurait en « Gillettes » — littéralement la puissance requise pour percer une lame de rasoir de marque Gillette.

Une forme de laser appelée pince optique utilise 2 faisceaux de lumière pour piéger et manipuler des objets aussi petits que des atomes individuels. Ne comptez toutefois pas sur des baguettes en laser pour manger, sauf si vos sushis font 100 nanomètres ou moins.

Situé à l’Université d’Osaka, au Japon, le laser le plus puissant au monde, appelé LFEX (Laser for Fast ignition EXperiments – Laser pour expériences à allumage rapide) a produit une impulsion de 2 pétawatts (2 millions de milliards de watts), d’une durée de seulement un millième de milliardième de seconde. Le LFEX pourrait aider les chercheurs à simuler les conditions extrêmes de la formation d’étoiles et même du Big Bang.

Expérience de télémétrie lunaire par laser
Ce rétroréflecteur a été laissé sur la Lune par les astronautes de la mission Apollo 11. Des astronomes du monde entier ont envoyé des faisceaux laser sur ce rétroréflecteur, afin de mesurer avec précision la distance entre la Terre et la Lune.

En 1969, les astronautes de la mission spatiale Apollo 11 ont mesuré à l’aide d’un laser la distance entre la Terre et la Lune, avec une erreur de moins de la largeur d’un doigt.

Avez-vous déjà vu un éclairage au laser granuleux comme du sable? Appelé granularité laser, il résulte de la présence de nombreuses ondes de même fréquence, mais d’amplitudes et de phases différentes, qui interfèrent les unes avec les autres, créant de nouvelles ondes d’intensité aléatoire.

Un vaisseau spatial robotisé appelé LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter – Orbiteur de reconnaissance lunaire) tourne actuellement autour de la Lune. À l’aide d’un laser, il recueille des données sur les sommets et les vallées de la surface lunaire. La NASA utilise ces données pour créer des cartes 3D de la Lune, qui pourront aider à déterminer des lieux sécuritaires d’alunissage pour des missions futures.