Histoire de Laser

En 1917, Albert Einstein a établi les fondements théoriques du laser et du maser dans l'article Zur Quantentheorie der Strahlung (Sur la théorie quantique du rayonnement) via une redérivation de la loi du rayonnement de Max Planck, basée conceptuellement sur des coefficients de probabilité (coefficients d'Einstein) pour l'absorption, l'émission spontanée et l'émission stimulée de rayonnement électromagnétique.

Albert EinsteinMax Planck

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En 1928, Rudolf W. Ladenburg a confirmé l'existence des phénomènes d'émission stimulée et d'absorption négative.

Rudolf W. Ladenburg

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En 1939, Valentin A. Fabrikant a prédit l'utilisation de l'émission stimulée pour amplifier les ondes « courtes ».

En 1947, Willis E. Lamb et R.C. Retherford ont découvert une émission stimulée apparente dans les spectres de l'hydrogène et ont effectué la première démonstration de l'émission stimulée.

Willis Lamb

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En 1950, Alfred Kastler (prix Nobel de physique 1966) a proposé la méthode du pompage optique, confirmée expérimentalement, deux ans plus tard, par Brossel, Kastler et Winter.

Alfred Kastler

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En 1951, Joseph Weber a soumis un article sur l'utilisation des émissions stimulées pour fabriquer un amplificateur à micro-ondes à la conférence de recherche sur les tubes à vide de l'Institute of Radio Engineers de juin 1952 à Ottawa, Ontario, Canada. Après cette présentation, RCA a demandé à Weber de donner un séminaire sur cette idée, et Charles Hard Townes lui a demandé une copie de l'article.

En 1953, Charles Hard Townes et les étudiants diplômés James P. Gordon et Herbert J. Zeiger ont produit le premier amplificateur à micro-ondes, un appareil fonctionnant sur des principes similaires à ceux du laser, mais amplifiant le rayonnement micro-ondes plutôt que le rayonnement infrarouge ou visible. Le maser de Townes était incapable d'une émission continue.

Charles H. Townes

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Pendant ce temps, en Union soviétique, Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov travaillaient indépendamment sur l'oscillateur quantique et ont résolu le problème des systèmes à émission continue en utilisant plus de deux niveaux d'énergie. Ces milieux de gain pouvaient libérer des émissions stimulées entre un état excité et un état excité inférieur, et non l'état fondamental, facilitant le maintien d'une inversion de population. En 1955, Prokhorov et Basov ont suggéré le pompage optique d'un système à plusieurs niveaux comme méthode pour obtenir l'inversion de population, devenue plus tard une méthode principale de pompage laser.

Nikolay BasovAlexander Prokhorov

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En 1957, Charles Hard Townes et Arthur Leonard Schawlow, alors aux Bell Labs, ont commencé une étude sérieuse du laser infrarouge. À mesure que les idées se développaient, ils ont abandonné le rayonnement infrarouge pour se concentrer sur la lumière visible. Le concept était à l'origine appelé « maser optique ».

Arthur Leonard SchawlowCharles H. Townes

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Simultanément, à l'université Columbia, l'étudiant diplômé Gordon Gould travaillait sur une thèse de doctorat sur les niveaux d'énergie du thallium excité. Lorsque Gould et Townes se sont rencontrés, ils ont parlé de l'émission de rayonnement, en tant que sujet général ; par la suite, en novembre 1957, Gould a noté ses idées pour un « laser », incluant l'utilisation d'un résonateur ouvert (plus tard un composant essentiel du dispositif laser).

Gordon Gould

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En 1958, Bell Labs a déposé une demande de brevet pour leur maser optique proposé ; et Schawlow et Townes ont soumis un manuscrit de leurs calculs théoriques à la Physical Review, publié cette année-là dans le volume 112, numéro 6.

En 1958, Prokhorov a indépendamment proposé l'utilisation d'un résonateur ouvert, la première apparition publiée (en URSS) de cette idée. Ailleurs, aux États-Unis, Schawlow et Townes avaient convenu d'une conception de laser à résonateur ouvert – apparemment sans connaître les publications de Prokhorov et les travaux non publiés de Gould sur le laser.

Alexander Prokhorov

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Lors d'une conférence en 1959, Gordon Gould a publié le terme LASER dans l'article The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Les notes de Gould incluaient des applications possibles pour un laser, telles que la spectrométrie, l'interférométrie, le radar et la fusion nucléaire. Il a continué à développer l'idée et a déposé une demande de brevet en avril 1959.

Le bureau des brevets américain a rejeté la demande de Gould et a accordé un brevet aux Bell Labs en 1960.

Le 16 mai 1960, Theodore H. Maiman a fait fonctionner le premier laser opérationnel aux Hughes Research Laboratories, à Malibu, en Californie, devançant plusieurs équipes de recherche, dont celles de Townes, à l'université Columbia, d'Arthur Schawlow, aux Bell Labs, et de Gould, au sein de la société TRG (Technical Research Group). Le laser fonctionnel de Maiman utilisait un cristal de rubis synthétique pompé par lampe flash pour produire une lumière laser rouge d'une longueur d'onde de 694 nanomètres. L'appareil n'était capable que d'un fonctionnement pulsé, en raison de sa conception de pompage à trois niveaux.

Theodore Maiman

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Plus tard cette année-là, le physicien iranien Ali Javan, ainsi que William R. Bennett et Donald Herriott, ont construit le premier laser à gaz, utilisant de l'hélium et du néon, capable de fonctionner en continu dans l'infrarouge (brevet américain 3 149 290). Plus tard, Javan a reçu le prix Albert Einstein en 1993. Basov et Javan ont proposé le concept de diode laser à semi-conducteur.

Ali Javan

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En 1962, Robert N. Hall a fait la démonstration du premier dispositif à diode laser, fabriqué en arséniure de gallium et émettant dans la bande du proche infrarouge du spectre à 850 nm. Plus tard cette année-là, Nick Holonyak, Jr. a fait la démonstration du premier laser à semi-conducteur avec une émission visible. Ce premier laser à semi-conducteur ne pouvait être utilisé qu'en mode pulsé et lorsqu'il était refroidi à la température de l'azote liquide (77 K).

Nick Holonyak Jr.Nick Holonyak Jr.

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Townes rapporte que plusieurs physiciens éminents — parmi lesquels Niels Bohr, John von Neumann et Llewellyn Thomas — ont soutenu que le maser violait le principe d'incertitude de Heisenberg et ne pouvait donc pas fonctionner. D'autres, comme Isidor Rabi et Polykarp Kusch, s'attendaient à ce qu'il soit impraticable et ne vaille pas l'effort. En 1964, Charles H. Townes, Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov ont partagé le prix Nobel de physique « pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l'électronique quantique, qui ont conduit à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe maser-laser ».

Niels BohrJohn von NeumannLlewellyn ThomasCharles H. TownesNikolay BasovAlexander Prokhorov

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En 1970, Zhores Alferov, en URSS, ainsi qu'Izuo Hayashi et Morton Panish des Bell Telephone Laboratories, ont également développé indépendamment des lasers à diode à fonctionnement continu à température ambiante, en utilisant la structure à hétérojonction.

Zhores Alferov

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Depuis les débuts de l'histoire du laser, la recherche a produit une variété de types de lasers améliorés et spécialisés, optimisés pour différents objectifs de performance, notamment : - nouvelles bandes de longueurs d'onde - puissance de sortie moyenne maximale - énergie d'impulsion de crête maximale - puissance d'impulsion de crête maximale - durée d'impulsion de sortie minimale - largeur de raie minimale - efficacité énergétique maximale - coût minimal Et ces recherches se poursuivent encore aujourd'hui.

En 2015, des chercheurs ont créé un laser blanc, dont la lumière est modulée par une nanosheet synthétique composée de zinc, de cadmium, de soufre et de sélénium, capable d'émettre de la lumière rouge, verte et bleue dans des proportions variables, chaque longueur d'onde couvrant 191 nm.

En 2017, des chercheurs de la TU Delft ont fait la démonstration d'un laser à micro-ondes à jonction Josephson CA. Comme le laser fonctionne dans le régime supraconducteur, il est plus stable que les autres lasers à semi-conducteurs. L'appareil a un potentiel d'applications dans l'informatique quantique.

En 2017, des chercheurs de la TU Munich ont fait la démonstration du plus petit laser à verrouillage de mode capable d'émettre des paires d'impulsions laser picosecondes verrouillées en phase avec une fréquence de répétition allant jusqu'à 200 GHz.

En 2017, des chercheurs de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), en collaboration avec des chercheurs américains du JILA, un institut commun du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Colorado à Boulder, ont établi un nouveau record du monde en développant un laser à fibre dopée à l'erbium avec une largeur de raie de seulement 10 millihertz.