Des chercheurs tirent au laser à travers l’université – Connaissance

Vous n’êtes pas encore raccordé à la fibre optique ? Ce n’est pas grave, l’air le fait aussi. Du moins pour une équipe dirigée par l’ingénieur électricien Andrew Goffin de l’Université du Maryland, College Park : dès 2021, les chercheurs ont envoyé un rayon laser à travers le couloir de leur institut et ont fait fondre un trou dans le mur situé à 50 mètres de là. Comme les physiciens du laser l’expliquent maintenant dans la revue spécialisée Physical Review X l’air s’est pratiquement transformé en câble de fibres optiques – avec une longueur record. Le laser est resté focalisé 60 fois plus loin qu’auparavant.

Mais pourquoi a-t-on besoin d’un câble aérien pour les faisceaux laser ? « Un laser ne reste pas éternellement focalisé », explique Stefan Karsch. Ce physicien étudie le développement de lasers à très haute intensité à l’université de Munich. « La blague, c’est d’empêcher la divergence ». Car même si les rayons laser peuvent être focalisés par des lentilles, leur cône de lumière s’élargit avec la distance, ce qui fait baisser l’intensité de la lumière par surface. On connaît le phénomène des lampes de poche : dirigées vers des objets éloignés, elles projettent un cercle lumineux de plus en plus grand, avec une luminosité décroissante.

C’est pourquoi on utilise généralement des câbles en fibre optique ultrafins comme fibres optiques. De telles fibres de verre sont coaxiales, c’est-à-dire qu’elles se composent d’un noyau et d’une gaine. Grâce à l’introduction de quelques atomes étrangers dans le matériau de l’âme, l’âme et la gaine se distinguent par leur indice de réfraction, une mesure de la vitesse de propagation de la lumière. Cette différence est suffisante pour qu’une « réflexion totale » se produise à la couche limite entre l’âme et la gaine : toute la lumière est réfléchie sans perte et se propage en zigzag le long de l’intérieur du câble.

Au lieu d’un vrai câble, Goffin et ses collègues ont utilisé une astuce pour guider la lumière laser : des lasers supplémentaires. En utilisant des impulsions laser de 300 femtosecondes seulement, ils ont créé une sorte de chemin de plasma dans l’air avant d’émettre le faisceau proprement dit. Le plasma est un état particulaire chaud dans lequel les molécules d’air sont partiellement ionisées. Cet effet se produit également lors d’éclairs, ce que des chercheurs français ont récemment exploité pour détourner des coups de foudre sur le Säntis suisse au moyen de tirs laser.

Les projectiles laser ne sifflent pas, ils grondent

Lors de l’expérience de Flur dans le Maryland, l’air, chauffé par le plasma, s’est brusquement gonflé, laissant derrière lui une colonne d’air de faible densité. Disposées en cercle, plusieurs de ces colonnes d’air de faible densité formaient une enveloppe cylindrique composée de ce que l’on appelle des filaments. À l’intérieur de l’enveloppe cylindrique, un noyau de cinq millimètres de diamètre et de densité plus élevée s’est à son tour formé. « Le chauffage annulaire de l’air produit un indice de réfraction plus élevé au centre de l’anneau qu’au bord », explique le physicien laser Karsch. Une réflexion totale s’est alors produite au niveau de la différence de densité entre le cœur et la gaine, exactement comme pour la fibre optique : le laser principal vert a été coincé dans un canal et guidé pendant quelques millisecondes avec une intensité constante jusqu’au mur, avant que la différence de densité ne se dissipe à nouveau dans l’air.

De l’air pulsé par laser comme fibre optique « virtuelle », voilà ce qui pourrait être appliqué à l’avenir pour la détection de la pollution dans l’atmosphère. Des mesures similaires sont déjà effectuées, par exemple à l’aide de systèmes « Lidar » : Dans ce cas, un laser est projeté verticalement dans l’atmosphère. La lumière est ensuite renvoyée de différentes couches vers des télescopes sur Terre et la hauteur de la couche de pollution est déterminée à partir du temps de parcours. « En cas de développement ultérieur, on pourrait suivre avec un laser guidé la lumière Lidar d’objets mobiles avec une haute résolution spatiale, par exemple pour mesurer les émissions polluantes des avions », explique Peter Hommelhoff, physicien spécialiste des lasers à l’université d’Erlangen.

Les auteurs de l’étude espèrent également des progrès dans la communication laser sur de longues distances. « Une fibre optique virtuelle ne battra néanmoins pas une fibre optique normale », affirme Hommelhoff avec certitude. Stefan Karsch estime donc que l’utilisation dans un autre domaine est plus probable : « Les armes laser sont une application possible ». Les canons laser comme ceux de « l’étoile de la mort » dans les films « Star Wars » resteront certes de la science-fiction, mais il n’est pas surprenant que l’étude ait été cofinancée par des fonds de l’armée américaine.

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Le faisceau laser dans le couloir de l’université n’était en tout cas pas sans danger. Pour éviter qu’un étudiant égaré ne trébuche dans le dispositif de mesure et ne soit touché par le tir laser, les chercheurs ont sécurisé l’expérience à plusieurs reprises. Ils ont mené leurs expériences de nuit, ont fermé le couloir avec du ruban adhésif et ont suspendu des rideaux noirs qui absorbent la lumière. En outre, des surfaces réfléchissantes ont été masquées afin d’éviter que la lumière diffuse ne provoque la cécité.

Une fois en service, le laser a également attiré l’attention par son acoustique. Ainsi, des claquements et des craquements se faisaient entendre, tandis que la pierre céramique du mur au bout du couloir commençait à dégager une odeur métallique. Les bruits ne provenaient pas seulement de la tache de plasma sur la surface du mur, mais aussi de la brusque dilatation de l’air le long du trajet du laser. Les physiciens ont enregistré les ondes sonores à l’aide de microphones alignés afin de mesurer la qualité du guide d’ondes en fonction du volume. Comme lors d’un orage, on a pu entendre « les petits cousins d’un tonnerre », peut-on lire dans un communiqué de presse accompagnant l’étude. Pour le prochain film de science-fiction, cela signifie que les canons laser devraient en fait tonner au lieu de faire « piu piu ».