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La première lumière: l'histoire du laser

lumière laser Les lasers sont une technologie tellement fondamentale aujourd'hui que nous les remarquons à peine. Si bon marché qu'ils peuvent être donnés en tant que jouets et tellement polyvalent qu'ils font tout de lecteurs de DVD à la chirurgie cornéenne une réalité, les lasers sont l'un des blocs de construction du monde moderne. Pourtant, les lasers étaient autrefois la province exclusive des physiciens, travaillant sur des installations expérimentales expansives et coûteuses qui semblaient plus la matière de la science-fiction que l'outil de communication de bureau et de tant d'autres domaines. Le laser a connu un vif succès, et l'histoire de son développement est un récit intrigant d'observation, de persévérance et de l'importance de garder de bonnes notes.

Des développements stimulants

Comme toutes les grandes innovations apparues dans la seconde moitié du XXe siècle, le laser a une lignée qui remonte au campus verdoyant du New Jersey de Bell Laboratories. Mais contrairement à certaines des inventions qui découlent uniquement de cette grande institution de l'innovation, notamment le transistor, le laser était le résultat de découvertes et de développements du monde entier sur une période de plusieurs décennies.

Malgré tout, le développement du laser était largement motivé par les impératifs, les laboratoires. Les systèmes téléphoniques aux États-Unis et dans le monde se développaient rapidement au début du 20ème siècle, et les ingénieurs commençaient à réaliser que de simples fils de cuivre seraient inadaptés aux besoins d'un système de communication mondial. À mesure que le télégraphe cédait la place au téléphone et que la télévision entrait en scène, il était clair qu'ils allaient devoir trouver de nouvelles façons de transmettre beaucoup plus d'informations. Cela signifiait plus de bande passante, et cela signifiait utiliser des fréquences de plus en plus élevées. Tournés vers l'avenir, ils se sont rendu compte que la lumière serait un jour le média, mais il faudrait tout d'abord inventer toute une gamme de technologies.

Alors que la communication avec des faisceaux de lumière était l'objectif ultime, les améliorations dans les communications radio étaient ce qui était réalisable au début des années 1950. De nouveau tourné vers l'avenir, espérait un jour avoir des satellites de communication en orbite autour de la planète, servant de relais pour les liaisons long-courriers. Fournir la bande passante nécessaire nécessiterait des liaisons par faisceaux hertziens, et pour atteindre un satellite en orbite, il faudrait de nouvelles conceptions pour les émetteurs et les récepteurs. Un moyen d'amplifier les signaux hyperfréquences faibles serait également nécessaire.

Entrer en Colombie physicien et un ancien chercheur de laboratoire. En 1950, Townes explorait le phénomène de l'émission stimulée, le processus par lequel les photons incidents peuvent interagir avec les atomes dans un état excité, les ramenant à l'état fondamental et libérant un nouveau photon identique au premier photon dans tous les sens. Townes pensait qu'il serait possible d'utiliser cette duplicatrice photonique pour produire des faisceaux intenses de rayonnement micro-onde, et avait passé des années à construire un dispositif pour prouver le concept.

Il a appelé le concept d'amplification micro-ondes par émission de rayonnement stimulée et a appelé son appareil un «maser». Il a utilisé un courant de gaz ammoniac pompé à travers une fente étroite et à travers un champ électrique dans une chambre de résonance. Les atomes d'ammoniac excités seraient "pompés" avec le rayonnement micro-ondes dans la chambre, provoquant une émission stimulée et une amplification massive qui était libérée sous la forme d'un faisceau puissant et hautement focalisé de micro-ondes à environ 24 GHz.

Townes a démontré son maser en 1954, et Bell Labs a rapidement pris sur l'appareil, en construisant leur propre version en 1957 en utilisant un cristal solide plutôt que de l'ammoniac. Ils ont également rapidement pris conscience du potentiel de l'appareil à amplifier les faibles signaux micro-ondes d'un satellite de communication encore à construire. Ils n'auraient pas à attendre longtemps, car en octobre de la même année, Spoutnik a volé au-dessus de nos têtes et a lancé l'humanité dans l'ère spatiale.


Un laser rouge

À ce moment-là, Townes était de retour dans les laboratoires après avoir été réengagé comme consultant. Un déjeuner de 1957 avec son collègue et son beau-frère a mené à une discussion sur le maser et comment il pourrait être utilisé pour amplifier des longueurs d'onde encore plus courtes que les ondes millimétriques actuellement produites. Un maser pourrait-il être modifié pour amplifier la lumière? avait déjà pensé à utiliser un maser pour amplifier la lumière infrarouge, et Townes était intrigué par le potentiel de créer une lumière intense dans la partie visible du spectre. A travaillé sur les fondements théoriques d'un "maser optique" et a demandé un brevet sur l'idée en 1958.

Pendant ce temps, à travers l'Hudson à New York, un jeune étudiant en physique nommé Gordon Gould travaillait dans le même sens. Gould, tout juste sorti du Manhattan Project, coupé de ses liens passés avec l'Association politique communiste, travaillait sur un doctorat en spectroscopie optique et hyperfréquence. En 1956, il eut l'idée de réaliser une émission stimulée en utilisant un pompage optique plutôt que des micro-ondes. Il a discuté de son idée avec nul autre que Charles Townes, qui était encore un professeur de physique de Columbia.

Gould a estimé que son invention était brevetable, mais ne connaissait pas les tenants et aboutissants de l'obtention d'un brevet. Townes lui a conseillé de commencer à tout écrire. Gould a acheté un ordinateur portable pas cher et a commencé à écrire « Certains calculs approximatifs sur la faisabilité d'un laser: Light Amplification par émission stimulée de rayonnement. »

La clé pour créer un laser, se rendit compte Gould, serait de concevoir un bon résonateur optique. Son design incluait des miroirs parallèles du type utilisé dans les interféromètres de Fabry-Pérot, dispositifs familiers à Gould à travers son travail de doctorat. Il savait que son ordinateur portable représentait un dessin pratiquement complet pour un laser qui fonctionnait, et il voulait désespérément faire breveter son invention, alors il a trouvé un notaire et a vu le cahier témoin. Pensant que cela le protégeait, et travaillant sous l'hypothèse erronée qu'il avait besoin d'un prototype fonctionnel pour obtenir un brevet, Gould abandonna Columbia pour chercher un emploi auprès d'une entreprise disposant de suffisamment de poches pour financer un prototype de laser.

Gould a eu un certain succès, rejoignant, une firme de recherche privée. Il les a convaincus de financer sa recherche, ce qu'ils ont fait grâce à une subvention de la toute nouvelle Agence de recherche avancée (ARPA). Les administrateurs de l'ARPA ont manifesté un vif intérêt pour la technologie laser de Gould et l'ont généreusement financée. Tout comme il semblait que Gould serait capable de construire son gadget et de le breveter, son passé reviendrait le hanter. L'ARPA a estimé que le projet était vital pour la sécurité nationale et l'a immédiatement classé. Cela signifiait que quiconque travaillait sur le laser aurait besoin d'une autorisation de sécurité, ce que les activités communistes juvéniles de Gould empêchaient. Il était effectivement exclu de son propre projet.


Ruby Rods

Malgré l'absence de Gould, TRG a progressé vers un laser à lumière visible. Mais TRG n'était pas la seule entité à travailler sur un laser pratique à la fin des années 50, bien sûr. Townes et Schawlow travaillaient encore sur des conceptions à résonateur ouvert étonnamment similaires à celles de Gould mais arrivées de façon indépendante.

En fin de compte, TRG et les laboratoires seraient vaincus en mai 1960 lorsque Theodore Maiman, un physicien de la Hughes Aircraft Corporation en Californie, a fait l'annonce choquante d'un laser qui fonctionne. Lors d'une conférence de presse publique en juillet de la même année, Maiman montra son appareil, qui utilisait le design à l'état solide maintenant familier (au sens physique, les lasers à semi-conducteurs viendraient plus tard) d'une tige de rubis avec des fonds complètement parallèles et partiellement argentés , à l'intérieur d'un réflecteur avec une lampe flash au xénon. Lorsqu'il était pompé par le puissant arc bleu-blanc au xénon, le cristal rubis subissait une émission stimulée et émettait une pulsation de lumière cohérente à une longueur d'onde de 694 nm, assez puissante pour enflammer une allumette, faire éclater un ballon ou percer une lame de rasoir. Le laser était arrivé.

Tant que le laser a pris la forme, une fois qu'il est né, les progrès ont été rapides. Un laser à gaz en mode continu utilisant un mélange d'hélium et de néon a été développé plus tard la même année. Deux ans plus tard, le premier laser IR semi-conducteur a été mis en évidence, suivi rapidement d'une diode laser à lumière visible. Le développement du laser à semi-conducteur a finalement conduit à la première diode laser visible à température ambiante en 1970; les diodes laser précédentes devaient être refroidies avec de l'azote liquide pour fonctionner. L'avènement des lasers à semi-conducteurs et l'innovation parallèle des fibres de verre optiquement purs ont permis à réaliser enfin tout le potentiel des communications lumineuses.


Il est difficile d'imaginer le monde moderne sans l'avantage du laser, et la plupart des nombreux du laser ont été dûment reconnus. Townes a remporté le prix Nobel de physique 1964 avec les Russes Nikolay Basov et Alexander Prokhorov, qui travaillaient sur les oscillateurs quantiques alors que Townes dessinait son maser.
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