Race to the Light

Avant de commencer à travailler sur le maser, j’avais commencé à faire germer quelques idées sur la possibilité d’un laser. Mon concept jusqu’à présent était d’essayer d’utiliser un matériau solide pour le milieu à effet laser, et de fabriquer le matériau laser potentiel en forme de tige. Dans le domaine des micro-ondes, cette configuration s’appelle un guide d’ondes diélectrique. En optique, on l’appelle un conduit de lumière. Je prévoyais de mettre des miroirs à chaque extrémité de la tige pour former un résonateur.

Malgré les avancées en physique qu’il représente, le maser n’étend en rien le spectre électromagnétique cohérent. De plus, son utilisation en tant qu’amplificateur s’est avérée peu pratique car des températures cryogéniques étaient nécessaires pour un bon fonctionnement. Il y avait une forte motivation pour repousser les frontières du rayonnement électromagnétique cohérent vers des fréquences plus élevées, principalement la promesse d’énergies plus élevées et de plus grandes concentrations. La réduction de la longueur d’onde entre les micro-ondes et le visible est un facteur d’environ 104. Cela conduirait à une réduction conséquente de 104 fois de la taille focale minimale réalisable, et à une augmentation de 108 fois de la concentration d’énergie délivrée par le laser.

Le travail sur le projet de maser s’est donc avéré une sorte de distraction, et ce n’est qu’en août 1959 que j’ai pu consacrer tous mes efforts à l’examen et à l’analyse de mes concepts pour un laser.

Pourquoi aurais-je été prêt à entrer dans une telle course ? Il y avait déjà une compétition mondiale plutôt formidable, bien financée et dotée d’un personnel très compétent. La réponse réside dans ma connaissance des propositions qui avaient été lancées. En général, les scientifiques qui ont poursuivi ces idées n’étaient pas particulièrement discrets sur ce sur quoi ils travaillaient. Ils publiaient et donnaient des conférences. Dans l’ensemble, cependant, j’ai constaté que les auteurs et les présentateurs de conférences n’offraient que de vagues propositions. Certes, cela permettait d’échanger des informations et de stimuler les idées. Mais il m’a semblé que personne n’était près de la réponse. En bref, aucun concept viable de laser n’existait encore.

Avec le recul, j’étais un peu effronté. J’allais me lancer, en quelque sorte, dans des Jeux olympiques technologiques. La compétition était de la meilleure qualité et d’envergure internationale. Mais mon esprit de compétition l’a emporté. Le défi de travailler dans la ligue supérieure d’un projet aussi passionnant, qui avait tant de questions et de problèmes à résoudre, était très convaincant pour moi.

Nous savons maintenant que de nombreux types de lasers peuvent être fabriqués. Mais à l’époque, en 1959, nous ne le savions pas. Nous ne savions même pas avec certitude s’il était vraiment possible de fabriquer un laser. Ma stratégie consistait à me limiter aux solutions potentielles pour la fabrication d’un laser dont la conception ne comportait pas de distractions appréciables. De cette façon, je pouvais me concentrer strictement sur le problème du laser lui-même.

Pour diverses raisons, j’étais réticent à travailler sur des systèmes à vapeur alcaline ou à décharge gazeuse. J’ai choisi de travailler avec des cristaux à l’état solide. L’attrait principal que les solides avaient pour moi était la simplicité. Par là, j’entends simple dans l’analyse et la compréhension, et simple dans la conception des dispositifs.

Contrairement à une décharge gazeuse, le diagramme des niveaux d’énergie dans un cristal approprié est très limité. Il y a relativement peu de possibilités pour les états d’énergie, et dans l’ensemble, les paramètres pertinents pour un candidat laser potentiel se prêtent à une combinaison de calculs et de mesures directes relativement simples.

Un autre avantage, en principe, d’un cristal solide est son coefficient de gain relativement élevé. Par cela, je veux dire que l’amplification dans une longueur donnée de matériau est de proportions raisonnables. Cela signifie que le milieu laser pourrait être relativement petit en taille et court en étendue, et je n’aurais pas le problème de développer ou de dépendre de l’utilisation de miroirs spéciaux. En effet, mon premier laser utilisait un cristal de seulement 2 cm de long.

J’étais également intrigué par le concept d’un milieu solide car je n’aurais pas à m’occuper de pompes à vide, de problèmes d’impuretés et d’appareils de manipulation de gaz, ou de mécanismes complexes de miroirs. Je pourrais mettre de simples revêtements de miroirs en argent directement sur le cristal, comme je l’avais fait avec mon petit maser à rubis. En principe, un laser à cristal solide pourrait être conçu pour être très simple, compact et robuste.

Mon premier choix à étudier et à contempler était celui d’un cristal de rubis. Le rubis est le résultat lorsqu’une coulée d’oxyde d’aluminium transparent à l’eau est dopée avec une petite quantité d’impureté d’oxyde de chrome. C’est le chrome qui est responsable de la couleur rouge. Les rubis utilisés pour les appareils ne sont généralement pas des pierres précieuses naturelles, dont le taux d’impureté de chrome est d’environ 0,5 %. La concentration de chrome dans les rubis pour appareils est environ dix fois inférieure à cette valeur, et c’est pourquoi ils affichent une couleur rouge plus claire que le rubis pierre précieuse et sont appelés rubis rose.

Pourquoi choisir le rubis comme candidat potentiel au laser ? Avant tout, j’étais assez familier et fasciné par les propriétés optiques intéressantes du cristal. Le rubis est un minéral fluorescent ; si l’on projette de la lumière ultraviolette sur un rubis, il brille d’une fluorescence rouge profonde. En outre, le rubis émet également une lueur rouge lorsqu’on l’éclaire en bleu ou en vert. Ce sont ces bandes d’absorption bleue et verte qui donnent au rubis sa couleur rouge. Lorsqu’un photon vert frappe le rubis et est absorbé par celui-ci, un ion d’impureté de chrome passe de son état fondamental à une large bande excitée. Bien que l’ion de chrome ait la possibilité de rayonner par émission spontanée à partir de ce niveau excité, un autre processus entre en jeu. Le processus concurrent utilise les vibrations thermiques du réseau cristallin pour interagir avec l’ion excité et déposer la majeure partie de l’énergie d’excitation dans un autre niveau excité légèrement inférieur du chrome rubis où elle reste pendant un certain temps. Ce dernier processus est beaucoup plus probable et domine.

L’énergie de ce troisième niveau est rayonnée sous forme d’émission incohérente spontanée. Cette émission spontanée est constituée de photons rouges et constitue la fluorescence observée. Le niveau d’où émane la fluorescence est parfois appelé niveau métastable, car les ions de chrome s’attardent dans cet état d’énergie pendant un temps relativement long avant de rayonner des photons rouges.

J’ai développé un modèle qui pouvait être analysé mathématiquement et j’ai mis en place des équations cinétiques pour prendre en compte les différents mécanismes ayant lieu dans le processus de fluorescence. J’ai également mis en place des critères intuitifs simples pour établir la condition d’action du laser. Ce modèle et ces équations sont par la suite devenus un moyen standard pour d’autres d’analyser les lasers à cristaux.

J’ai pu déterminer quels paramètres matériels étaient importants et pertinents pour un laser en obtenant la solution des équations décrivant le modèle. En utilisant des valeurs connues et estimées pour les paramètres pertinents du rubis, j’ai constaté que le rubis nécessiterait une lampe à pompe très brillante pour exciter suffisamment le cristal afin de permettre l’action du laser. La luminosité d’une lampe est un paramètre important pour les lasers. Il s’agit d’une mesure non pas de la puissance totale rayonnée par la lampe, mais plutôt de la puissance par unité de surface.