Les lasers à l'IRAMIS

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Bref historique du laser,
autour des équipes aujourd'hui à l'IRAMIS
Pascal D'Oliveira

Ionisation multiphotonique.

Précédant l'avènement du laser, les chercheurs du CEA Saclay participaient à l'aventure. Dans son livre "How the laser happened ?" [1], Charles H. Townes cite en particulier la collaboration de Jean Combrisson (CEA-Centre d'Etudes de Saclay) avec Arnold Honig au sein du Laboratoire d'Alfred Kastler de l'Ecole Normale Supérieure, et leur contribution à la réalisation d'un maser (avec m pour "microwave") précurseur du laser, par la découverte du système semiconducteur (Si dopé As) présentant des états métastables de longue durée de vie [2].

Au CEA-Saclay, c'est dès les années 1960 que l'équipe de Gérard Mainfray et Claude Manus de l'IRF/SPAS [3] décide de démarrer une activité sur la physique atomique en champ laser intense. Cette équipe s'équipe de lasers à rubis et, rapidement, des premiers lasers en verre dopé au Néodyme fabriqués par la CILAS [4]. Ces lasers de laboratoire délivrent une énergie par impulsion de l'ordre du Joule en une dizaine de nanosecondes (soit 10^-8 s, puissance instantanée : 100 MW)  ! C'est avec ce type de laser que l'équipe de Saclay fera l'une des premières observations de l'ionisation multiphotonique d'un gaz.

Plusieurs développements s'ensuivent dans les années 1970, qui conduisent à un meilleur contrôle de la cohérence, à l'extension du domaine spectral et à la réduction de la durée d'impulsion à quelques picosecondes (1ps = 10^-12s). Les éclairements atteints - flux d'énergie par unité de surface - sont alors de 10¹⁵ W/cm² ! Ils permettent à Pierre Agostini et à ses collègues de publier en 1979 la première observation de l'ionisation multiphonique "au-dessus du seuil". La course aux très forts éclairements est désormais lancée entre les meilleurs laboratoires mondiaux. L'équipe de Saclay sait se maintenir aux premiers rangs. A la fin des années 80, elle s'implique dans deux opérations importantes. Tout d'abord, l'équipe et ses partenaires, LOA (Laboratoire d'Optique Appliqué, Palaiseau) et FOM (Foundation for Fundamental Research on Matter) d'Amsterdam, montent le premier réseau européen "lasers femtosecondes" (1 fs = 10^-15 s), une initiative qui permettra le perfectionnement de plusieurs technologies laser.

Dans le même temps, l'équipe construit le premier laser européen basé sur la technologie CPA (Chirped Pulse Amplification), introduite aux Etats-Unis par Gérard Mourou. Ayant à l'origine une puissance de 1 TeraW (1 TW=10¹²W) à la cadence d'un tir par minute, ce laser UHI (pour Ultra Haute Intensité), a intégré depuis les diverses avancées de la technologie. En 1987, grâce à ces lasers, un processus non linéaire très spectaculaire, la génération d'harmoniques d'ordre élevé (jusqu'à n ~130...) dans un gaz atomique, est observé simultanément à Chicago [6] et à Saclay [7].

La constitution de la plateforme SLIC a résulté de la rencontre du groupe Mainfray avec deux autres équipes. La première, conduite par Jean-Claude Mialocq, dispose depuis le milieu des années 70 de lasers picosecondes (10^-12 s) puis femtosecondes peu intenses pour l'étude de phénomènes rapides en phase condensée. L'un des domaines d'activité de l'équipe de J.C. Mialocq porte sur l'étude des colorants laser en lien avec le procédé SILVA. La seconde équipe conduite par Jacques Berlande du SPAS est constituée de physico-chimistes étudiant la cinétique de réactions chimiques en phase gazeuse. En reacute;ponse aux besoins communs des trois équipes, le programme LUCA sera lancé au début des années 90. Il s'agissait du premier serveur laser femtoseconde mutualisé du DRECAM [5], département à l'origine de l'IRAMIS. La plateforme SLIC naitra en 2002 de la réunion au sein d'une structure unique les serveurs laser LUCA et UHI dont la puissance avait été portée à 10 TW en 1997. SLIC deviendra une "Grande Infrastructure Européenne" en 2003. En 2004, le lancement du serveur PLFA viendra compléter son offre. La dernière évolution majeure a eu lieu en 2008 : le laser UHI a vu sa puissance portée à 100 TW, ce qui en fait l'un des lasers T³ (Table-top Terawatt) les plus puissants en France.

[1] "How the laser happened?", Charles H.  Townes, Oxford University Press (1999), ISBN 0-19-51

[2] - Production et amplification de micro-ondes par des procédés atomiques (Production and amplification of microwaves by atomic processes)
J. Combrisson and C.H. Townes, Onde Electrique, 36(356) (1956) 989.

Brief review describing the principles of the maser, the work being done on the ammonia maser at Columbia University, and the possibility of a solid-state version.

- Utilisation de la résonance électronique de spin pour réaliser un oscillateur ou amplificateur à très haute fréquence (Use of electron spin resonance to realize a very high frequency oscillator or amplifier).
J. Combrisson, A. Honig, and C.H. Townes, Comptes Rendus de l'Academie des Sciences (Paris), 242(20) (1956) 2451.

Induced emission in an electron resonance spectrum is used to produce a microwave oscillator or amplifier. Experimenting with silicon, it was found that the ratio of power furnished by electron emission to that required to excite the cavity was 1/3. In order to obtain free oscillations, experimental details would have to be improved.

[3] IRF/SPAS : Institut de recherche Fondamentale/ Service de Physique des Atomes et des Surfaces

[4] CILAS : Compagnie Industrielle des Lasers

[5] DRECAM : Département de Recherche sur l'Etat Condensé, les Atomes et les Molécules (Département de recherche dont est issu l'IRAMIS)

[6] “Studies of multiphoton production of vacuum-ultraviolet radiation in the rare gases”
A. McPherson, G. Gibson, H. Jara, U. Johann, T. S. Luk, I. McIntyre, K. Boyer et C. K. Rhodes, J. Opt. Soc. Am B 4: 595, 1987

[7] “Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases”
M. Ferray, A. L’Huillier, X. F. Li, L. A. Lompré, G. Mainfray et C. Manus, J. Phys. B 21: L31, 1988

Quelques dates clés autour des lasers

1917 : A. Einstien introduit l'idée d'émission stimulée (ou émission induite) pour expliquer le spectre du rayonnement du corps noir.

1921 : Prix Nobel de Physique attribué à Albert Einstein "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"

1953 : Premier maser (acronyme de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fabriqué par Charles Townes (Prix Nobel 1964)

1960 : Le 17 mai 1960, Theodore Maiman, des Hughes Research Laboratories, observait pour la première fois le rayon laser (milieu actif : cristal de rubis), basé sur les découvertes d’Albert Einstein, de Charles H. Townes, et s’appuyant sur les travaux d’Alfred Kastler.
Voir la publication originale : T. H. Maiman, Nature 187 (1960) 493
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

1963 : Premiers hologrammes réalisés par E.N. Leith, J.U. Upatnieks et C.W. Stroke de l'Université du Michigan

1964 : Premier laser à gaz carbonique (infrarouge) par C.Kumar.N. Patel (Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO2, C.K.N. Patel, Physical Review 136(5A) (1964) A1187).

1966 : Prix Nobel de Physique attribué à Alfred Kastler "for the discovery and development of optical methods for studying Hertzian resonances in atoms"

1979 : Invention conjointe du disque compact (CD) par Philips, Sony Corporation et Hitachi.

Quelques chiffres :