L’invention du laser
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L’invention du laser
Dans ce chapitre, je décris une rivalité scientifique au département de physique de l’Université de Columbia à l’époque des années 1950 avant et quand le laser a été inventé, et la course pour construire un laser finalement remportée par un scientifique en Californie en 1960. Il suit l’arc de Charles Le succès de Townes dans l’amplification des micro-ondes avec un appareil qu’il a appelé le maser, à la réalisation de l’étudiant diplômé Gordon Gould sur la façon dont les ondes lumineuses plus courtes et plus puissantes pouvaient également être amplifiées. 
Le chapitre décrit le cahier de Gould, écrit en 1957, schématisant un laser à pompage optique. Dans le même cahier, il a inventé le mot laser, un acronyme pour l’amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement, et a suggéré des utilisations possibles pour les faisceaux lumineux cohérents qu’il a imaginés. Le chapitre couvre également le souhait de Gould de breveter et de tirer profit de son invention, sa croyance erronée qu’il devait construire un laser pour recevoir un brevet, et le flirt avec la politique radicale qui l’a interdit du laboratoire où il travaillait une fois que le gouvernement a classé le projet laser qu’il finançait. Townes et son collègue et beau-frère Arthur Schawlow, tous deux futurs prix Nobel de physique, ont entre-temps déposé une demande et obtenu un brevet pour ce qu’ils ont appelé un maser optique. Theodore Maiman des laboratoires Hughes a construit le premier laser fonctionnel en 1960, comme le décrit le chapitre. Il se termine par les résultats de la longue bataille de Gould pour obtenir des brevets laser de base et son succès éventuel. Townes et son collègue et beau-frère Arthur Schawlow, tous deux futurs prix Nobel de physique, ont entre-temps déposé une demande et obtenu un brevet pour ce qu’ils ont appelé un maser optique. Theodore Maiman des laboratoires Hughes a construit le premier laser fonctionnel en 1960, comme le décrit le chapitre. Il se termine par les résultats de la longue bataille de Gould pour obtenir des brevets laser de base et son succès éventuel.
Caractéristiques de la lumière laser 
Le laser est l’une des plus grandes découvertes techniques du XXe siècle. Il est important dans les sciences fondamentales, mais particulièrement dans le diagnostic et la thérapie de diverses conditions pathologiques de l’organisme humain. Il s’agit d’un rayonnement électromagnétique, pas d’un rayonnement X et, en tant que tel, on ne s’attend pas à ce qu’il produise une nouvelle génération de malignités iatrogènes. Le laser se situe entre l’infrarouge et l’ultraviolet sur le spectre principalement dans le spectre de la lumière visible. 
Les propriétés de la lumière laser sont : la monochromacité (la même couleur), la cohérence (toutes les ondes lumineuses sont en phase spatialement et temporellement), la collimation (tous les rayons sont parallèles entre eux et ne divergent pas de manière significative même sur de longues distances). Les lasers ont été conçus pour la première fois par Einstein en 1917 lorsqu’il a écrit son « Zur Quantum Theorie der Strahlung » (la théorie quantique du rayonnement) qui énumère les concepts d’émission et d’absorption stimulées et spontanées. Drs. Arthur Schawlow et Charles Townes, en 1956, ont étendu les lasers dans la gamme de fréquences optiques et Maiman, en 1960, a fait fonctionner le premier laser utilisant le rubis comme milieu actif (laser rubis). Laser est l’acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Pour comprendre l’acronyme, il est nécessaire de comprendre la physique de base de l’atome. Cependant, si l’atome qui est dans l’état excité est frappé par un autre photon d’énergie avant de revenir à l’état fondamental, deux photons de fréquence et d’énergie égales, voyageant dans la même direction et en parfaite harmonie spatiale et temporelle, sont produits. 
Ce phénomène est appelé émission stimulée de rayonnement. Une source d’énergie externe hyperexcite les atomes dans le milieu laser de sorte que le nombre d’atomes possédant des niveaux d’énergie supérieurs dépasse le nombre d’atomes dans un niveau d’énergie de puissance, une condition appelée inversion de population. Ce « système de pompage » qui donne de l’énergie supplémentaire aux atomes peut être optique, mécanique ou chimique. Ces atomes dans un état hyperexcité émettent spontanément des photons de lumière. La chambre laser ou la cavité optique contient un milieu laser actif qui détermine généralement le nom de chaque laser. Il existe quatre types de matériaux laser couramment utilisés. Les lasers à semi-conducteurs utilisent un matériau de matrice solide tel qu’un cristal de rubis. Les lasers à gaz utilisent un gaz ou un mélange de gaz tels que l’hélium, l’argon et le CO2. Les lasers à colorant utilisent un colorant organique complexe en solution liquide ou en suspension comme la rhodamine.
Une histoire du laser – Un voyage à travers la lumière fantastique 
Le laser n’aurait pas été possible sans la compréhension que la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique. Max Planck a reçu le prix Nobel de physique en 1918 pour sa découverte des quanta d’énergie élémentaire. Planck travaillait en thermodynamique, essayant d’expliquer pourquoi le rayonnement du « corps noir », quelque chose qui absorbe toutes les longueurs d’onde de la lumière, n’émettait pas toutes les fréquences de la lumière de manière égale lorsqu’il était chauffé. Dans son ouvrage le plus important, publié en 1900, Planck a déduit la relation entre l’énergie et la fréquence du rayonnement, disant essentiellement que l’énergie ne pouvait être émise ou absorbée que par morceaux discrets – qu’il appelait quanta – même si les morceaux étaient très petits. Sa théorie a marqué un tournant dans la physique et a inspiré des physiciens prometteurs comme Albert Einstein. En 1905, Einstein a publié son article sur l’effet photoélectrique, qui proposait que la lumière délivre également son énergie en morceaux, dans ce cas des particules quantiques discrètes maintenant appelées photons.
En 1917, Einstein a proposé le procédé qui rend les lasers possibles, appelé émission stimulée. Il a émis l’hypothèse qu’en plus d’absorber et d’émettre de la lumière spontanément, les électrons pourraient être stimulés pour émettre de la lumière d’une longueur d’onde particulière (pour en savoir plus sur les pionniers du laser, voir « Sur les épaules des géants »). Mais il faudrait près de 40 ans avant que les scientifiques soient capables d’amplifier ces émissions, de prouver qu’Einstein a raison et de mettre les lasers sur la voie pour devenir les outils puissants et omniprésents qu’ils sont aujourd’hui. 
Le voyage continue
Au cours de la dernière décennie, les lasers sont devenus à la fois plus grands et plus petits, ainsi que plus puissants et moins chers. La technologie s’est élargie en nombre de longueurs d’onde et dans la gamme de matériaux utilisés. Les lasers ont fait leur chemin dans la vie quotidienne et les applications d’un autre monde. Fin 2018, le marché du laser s’élève à plus de 12,9 milliards de dollars, selon une étude de décembre 2018 de MarketsandMarkets.
Les lasers sont devenus essentiels à de nombreuses applications et industries, amplifiant l’impact de la lumière fantastique. La lithographie au laser joue aujourd’hui un rôle clé dans la fabrication de semi-conducteurs, par exemple – dont les revenus ont totalisé 477 milliards de dollars en 2018, selon la société de recherche et d’analyse Gartner. Les systèmes de télémétrie laser fournissent les informations nécessaires à la sécurité de la navigation dans les véhicules autonomes. Le marché actuel est petit pour de tels véhicules, mais les projections d’Allied Market Research (AMR) indiquent que le marché pourrait dépasser 550 milliards de dollars d’ici 2026. Le marché des lasers médicaux – qui comprend les systèmes laser à solide et à gaz, les systèmes laser à colorant et les lasers à diode systèmes – pourraient totaliser entre 12 et 13 milliards de dollars d’ici 2023, selon AMR. Les applications médicales populaires incluent les traitements cardiovasculaires, dermatologiques et oculaires. Pour terminer,
Laser et Maser
Les lasers sont devenus une partie de notre vie quotidienne non seulement dans les appareils techniques, mais aussi dans la culture de la science-fiction qui ne serait pas la même sans l’amplification de la lumière simulée par l’émission stimulée de rayonnement. En fait, le prédécesseur du laser était le maser. Il fonctionnait à des fréquences micro-ondes et, après l’invention du laser, il s’appelait un maser optique.
Tout d’abord, le Maser
En 1928, Rudolf Ladenburg réussit à le prouver expérimentalement. Ensuite, on s’est longtemps demandé si l’effet pouvait être utilisé pour amplifier le champ lumineux, car une inversion de population devait se produire pour atteindre l’amplification. Cependant, cela est impossible dans un système stable à deux niveaux. Tout d’abord, un système à trois niveaux a été envisagé, et les calculs ont abouti à une stabilité du rayonnement dans la gamme des micro-ondes, réalisée en 1954 dans le maser de Charles H. Townes, qui émet un rayonnement micro-onde. Ensuite, Townes et Arthur L. Schawlow, entre autres, ont travaillé sur le transfert du principe du maser à des longueurs d’onde plus courtes.
Enfin, le laser
Les prochaines étapes vers le laser ont été faites en 1957, lorsque la recherche sur le laser infrarouge a commencé aux Bell Labs, mais est rapidement passée à la lumière visible. Ce fut ensuite Gordon Gould, deux ans plus tard, qui introduisit le terme LASER dans son ouvrage publié, suivi d’années de procès concernant le droit du brevet entre Bell Labs et Gould. Enfin, en 1960, Theodore Maiman a pu faire la démonstration du premier laser fonctionnel. Cette étape représente une contribution importante à la physique et au-delà. Le premier laser – un laser à rubis – a été achevé par Theodore Maiman le 16 mai 1960. Il a d’abord soumis une description de son appareil aux Physical Review Letters, qui ont cependant refusé de publier son manuscrit. La revue tout aussi prestigieuse Nature accepta le manuscrit et le publia en août 1960, avec pour résultat que l’invention de Maiman fut rapidement copiée par d’autres chercheurs dans de nombreuses variantes. Après Maiman, plusieurs physiciens ont travaillé sur des améliorations de sa réalisation et ont amené le laser à ce dont il est capable aujourd’hui. Or, il existe de nombreux types de lasers tels que les lasers à gaz, les lasers chimiques, les lasers à fibre ou les lasers à cristal photonique, tous variant dans les longueurs d’onde et leurs applications.
Lasers à semi-conducteur
Les premiers lasers à semi-conducteurs ont été développés dans les années 1960 (Robert N. Hall 1962, Nick Holonyak 1962 dans le domaine spectral visible, Nikolai Basow), mais ne sont praticables qu’avec le développement de lasers à semi-conducteurs basés sur des hétérostructures (Prix Nobel pour Herbert Kroemer, Schores Alfjorow). À la fin des années 1980, la technologie des semi-conducteurs a permis d’utiliser des diodes laser à semi-conducteurs de plus en plus durables et très efficaces avec une faible puissance dans les lecteurs de CD et de DVD ou dans les réseaux de données à fibre optique, remplaçant progressivement l’excitation de lampe inefficace des lasers à semi-conducteurs comme pompe des sources avec des puissances allant jusqu’à la plage du kW.
Laser inventé
En 1957, Gordon Gould a commencé à écrire les principes de ce qu’il appelait un laser dans son carnet lors d’un samedi soir sans sommeil. Mercredi matin, il avait un notaire témoin et date son carnet. Il y décrivait ce qu’il appelait « l’amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement », ou, à partir de ces initiales, « laser ». Malheureusement, il a mal compris le processus de brevet et n’a pas déposé rapidement. Mais d’autres scientifiques, Charles Townes et Arthur Schawlow, ont déposé un brevet sur leur découverte similaire mais indépendante de la fabrication d’un laser. Lorsque Gould a tenté tardivement d’obtenir un brevet, il a fallu des décennies pour finalement établir la priorité et obtenir ce qui était alors devenu des redevances rentables de l’industrie du laser établie.
À propos de Gordon Gould (17 Jui 1920 -16 Sep 2005)
Physicien américain qui a inventé le mot laser à partir des lettres initiales de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ». Gould a été inspiré dès sa jeunesse à être un inventeur, souhaitant imiter Marconi, Bell et Edison. Il a contribué au projet Manhattan de la Seconde Guerre mondiale, travaillant sur la séparation des isotopes de l’uranium. Le 9 novembre 1957, lors d’un samedi soir sans sommeil, il eut l’inspiration de l’inventeur et commença à écrire les principes de ce qu’il appelait un laser dans son carnet. Bien que Charles Townes et Arthur Schawlow aient également développé avec succès le laser, Gould a finalement obtenu ses droits de brevet longtemps refusés.
https://www.photonics.com/Articles/A_History_of_the_Laser_1960_-_2019/a42279
http://scihi.org/theodore-maiman-laser-technology/
https://todayinsci.com/7/7_17.htm#GouldGordon
https://todayinsci.com/11/11_09.htm#event
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36063315/
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10352501/
16 Mai 1960 – Premier laser à cristal de rubis exploité
22 mars 1960 – Le laser est breveté