50 ans de révolution dans la physique des lasers.

Dans le cadre des “France-Hong Kong Distinguished Lectures” dispensées par des chercheurs de renom, membres de l’Académie des Sciences, la “City University” de Hong Kong a accueilli le professeur Serge Haroche, le 18 novembre 2015.

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Après un discours de bienvenue du Prof Way Kuo, président de la City University (City U) le Consul Général de France à Hong Kong et Macao, M. Eric Berti, a introduit le prestigieux conférencier, en profitant pour souligner l’excellence de la recherche et de l’enseignement supérieur français tout en exprimant sa volonté de poursuivre le développement de la coopération scientifique et universitaire entre Hong Kong et la France.

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M. Eric Berti, Consul général de France à Hong Kong et Macao, lors de son introduction du Prof Haroche, à CityU, le 18 novembre 2015.

Professeur au Collège de France, membre de l’Académie des sciences française, le Professeur Serge Haroche a été récompensé par ses pairs en recevant de nombreux prix internationaux prestigieux, dont la médaille d’or du CNRS en 2009 mais surtout le prix Nobel de Physique en 2012 pour ses recherches concernant la mesure et la manipulation des systèmes quantiques individuels. Ses résultats on ouvert une nouvelle ère d’expérimentation dans le physique quantique en démontrant l’observation directe des particules individuelles sans les détruire.

Le Professeur Haroche est intervenu devant un large public composé de chercheurs et d’étudiants de plusieurs universités hongkongaises et de quelques 80 élèves des classes de terminales scientifiques du Lycée Français International de Hong Kong (LFI).

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Les élèves du Lycée Français International de Hong Kong lors de la conférence du Professeur Serge Haroche sur les lasers, à CityU, le 18 novembre 2015.

Après avoir présenté les découvertes scientifiques majeures ayant jalonné l’histoire de la connaissance de la lumière, de l’antiquité à aujourd’hui, le Professeur Serge Haroche a précisé quels étaient les enjeux actuels et futurs des lasers. Source de nombreuses innovations technologiques, les lasers permettraient encore d’importantes améliorations dans la mesure du temps et de l’espace mais aussi dans la gestion de l’information.

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Professeur Serge Haroche, lors de sa conférence sur les lasers, à CityU, le 18 novembre 2015.

Enfin, la conférence s’est poursuivie par une session de questions posées par de nombreux spécialistes présents dans la salle, avant de s’achever sur une séance de photos avec le prestigieux orateur.

Notons que le Professeur Haroche est l’un des quatre éminents chercheurs représentant l’excellence de la recherche française au sein des douze « Senior Fellows » constituant l’ « Institute for Advanced Study of City U », officiellement inauguré le dimanche 22 novembre 2015, voir le site de CityU

Résumé de la conférence

Alors que la relation entre l’homme et la lumière est au début beaucoup plus spirituelle que scientifique, c’est dans son ouvrage Optique rédigé en 280 avant Jésus Christ qu’Euclide va pour la première fois aborder la lumière sous son aspect scientifique. Il conçoit en effet que les rayons lumineux s’installent instantanément et qu’il n’y a donc pas de propagation de la lumière. Un autre aspect de sa théorie est que les rayons lumineux partent de l’œil et sont interceptés par l’objet. Cette conception (fausse) va dominer parmi les savants en Europe jusqu’au début de la Renaissance.

L’optique bascule brutalement avec la découverte des lentilles par Galilée au début du XVIIème siècle. Bien que le télescope ait été connu avant lui, Galilée est le premier à l’utiliser pour l’observation scientifique. Il parvient à observer précisément la Lune, puis découvre les Lunes de Jupiter.

En 1664, Pierre de Fermat publie dans une lettre scientifique le principe qui portera son nom. Le principe de Fermat indique que la lumière choisit toujours le chemin le plus court : « La lumière se propage d’un point à un autre sur des trajectoires telles que la durée du parcours soit localement minimale ».

En 1670, Ole Christensen Rømer mesure indirectement la vitesse de la lumière en observant les décalages de l’orbite de Io (satellite naturel de Jupiter) par rapport aux prévisions. Les premières valeurs de la vitesse de la lumière seront données bien plus tard par Léon Foucault au milieu du XIXème siècle. Rømer est cependant le premier à démontrer que la vitesse de la lumière n’est pas infinie comme on le pensait jusqu’alors.

Quelles années plus tard, naît la première théorie sur la composition de la lumière. En 1678, Christian Huygens propose une théorie ondulatoire de la lumière, publiée en 1690 dans son Traité de la Lumière. C’est Thomas Young qui expérimentera en 1801 la diffraction et les interférences de la lumière.

Au même moment, Isaac Newton reprend l’idée émise peu de temps avant par Pierre Gassend, et avance l’hypothèse que la lumière est interprétable de manière corpusculaire : les faisceaux lumineux qui se propagent sont une succession de grains de lumière dont la taille est reliée à la couleur.

Il faut attendre la fin du XIXème siècle et le début du XXIème siècle pour que la dualité onde-particule réconcilie les deux théories. James Clerk Maxwell publie en 1873 un traité sur les ondes électromagnétiques dans lequel il explique le phénomène ondulatoire en définissant la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d’un rayonnement, le spectre de ce rayonnement n’étant qu’une partie de l’ensemble du rayonnement électromagnétique, beaucoup plus large : infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons X.

Vingt ans plus tard, en 1905, Albert Einstein réintroduit l’idée que la lumière pourrait avoir une nature corpusculaire : il explique l’effet photoélectrique et prouve que l’énergie transportée par la lumière est quantifiée. On appellera dorénavant « photon » le quantum d’énergie (la plus petite quantité d’énergie, indivisible), qui est aussi une particule.
L’existence de cette particule ne contredit pas la théorie ondulatoire, au contraire : la dualité onde-particule (ou onde-corpuscule) en mécanique quantique dit qu’à chacune des particules est associée une onde, bien que ce phénomène ne soit perceptible qu’à l’échelle de l’atome. Finalement, si on considère le déplacement d’un unique photon, les points d’arrivée possibles sont donnés sous forme de probabilité par l’onde associée. Sur un très grand nombre de photons, chaque lieu d’arrivée est illuminé avec une intensité proportionnelle à la probabilité d’arrivée.

L’ensemble de ces découvertes a permis de mieux comprendre le fonctionnement et la composition de la lumière à partir de la seconde moitié de XXème siècle et a rendu possible l’émergence de technologies se basant sur ces différents principes comme c’est le cas pour le laser ou la fibre optique.

Les lasers sont des objets complexes, composés d’une source d’émission permettant l’émission de photons (verre dopé ou cristaux) et d’une cavité amplificatrice remplie d’un gaz inerte et dont l’une des parois est un miroir semi-réfléchissant. Cette cavité optique fait office de résonateur et va permettre aux rayons lumineux de rentrer en cohérence temporelle afin d’amplifier le signal lumineux final qui sortira plus fort et généralement monodirectionnel.

Au fur et à mesure des années, les lasers vont gagner en importance, que cela soit en recherche fondamentale (spectrométrie, mesure précise de distances, etc.) ou dans l’industrie (découpage, fibre optique, etc.)

Les principaux axes de recherches actuels sur les lasers se focalisent sur les sujets suivants :

- Gestion de l’information grâce à de nouveaux ordinateurs quantiques. Lorsqu’un atome est éclairé par une impulsion laser d’une longueur d’onde et d’une durée bien déterminées, l’électron qu’il comporte passe à un état excité. Une seconde impulsion laser provoque sa chute vers son état fondamental. C’est la superposition de ces états quantiques qui permettrait d’accroitre considérablement les performances de calcul et l’espace de stockage des données.

- Le refroidissement de la matière. En envoyant des photons sur des atomes en mouvement, il est possible de diminuer leur énergie cinétique et donc de descendre la température du milieu (la température d’un milieu est simplement due à au niveau d’agitation thermique des atomes qui le composent).

- Une meilleure prévision sur le temps et l’espace. Le mètre est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde. La seconde est elle définie comme « la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6 S½ de l’atome de césium 133 ». La recherche sur le laser devrait permettre, dans les prochaines années, de redéfinir encore plus précisément ces deux paramètres, ce qui devrait avoir un intérêt tout particulier pour des outils comme le GPS qui nous permet de un positionnement dans l’espace et le temps.

- La recherche de nouvelles particules. En fournissant une très grande énergie cinétique aux particules, les lasers permettent des collisions dégageant une très forte quantité énergie et donc l’étude de nouvelles particules qui se forment à cette occasion. Théoriquement, le but est d’accélérer des protons, presque à la vitesse de la lumière, pour produire une source de neutrons par spallation (réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau atomique est frappé par une particule incidente (neutron, proton, ...). Des impulsions laser sont par la suite focalisées sur une cible contenant des protons à des intensités supérieures à 1023 W/cm2.

publié le 27/11/2015

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