On l'oublie souvent mais le laser, si présent dans nos vies, n'est pas une invention récente. C'est le grand Einstein, il y a plus d'un siècle, qui en a posé les fondements théoriques en évoquant l’existence d'émissions stimulées de radiation permettant une amplification ordonnée du nombre de photons dans un flux lumineux. Mais il fallut attendre 1958 pour que les deux physiciens américains Arthur Schawlow et Charles Townes publient un article qui jette les bases théoriques du laser (amplification de lumière par émission stimulée de radiation). Enfin, le 16 mai 1960, le physicien américain Théodore Maiman réussissait à faire fonctionner le premier laser de l’histoire au Hughes Research Laboratory (HRL) à Malibu, en Californie. L’engin, bricolé dans un atelier, consiste en un cristal de rubis cylindrique d’un centimètre de diamètre. Les deux extrémités de cet appareil étaient recouvertes d’un film d’argent et il est entouré par un tube de lampe flash hélicoïdal.
Dès 1961, le laser trouve sa première utilisation médicale : au Columbia Presbyterian Medical Center à Manhattan, le Docteur Charles J. Campbell utilise avec sucés un laser à rubis pour éliminer la tumeur rétinienne d’un patient. En 1964, l'ingénieur Kumar Patel inventa le laser à CO2, qui fit entrer cette technique dans le domaine industriel, pour la découpe, le perçage, le marquage ou la soudure du métal.
En 1966, l'apparition des lasers à colorant fut une nouvelle révolution qui ouvrit la porte à l'étude fine des atomes et molécules, grâce à ce nouvel outil de spectroscopie haute résolution qui n' a depuis cessé de permettre de nouvelles avancés dans la connaissance de la matière, mais aussi dans l'organisation et le fonctionnement des molécules complexes et des cellules. La même année, des scientifiques et ingénieurs réalisèrent la première liaison optique sur un km en atmosphère libre à Lannion, ouvrant l'ère des télécommunications optiques.
En 1979, l'histoire de la découpe laser franchit une nouvelle étape, lorsque Prima Industries de Collegno, en Italie, présenta le premier système de découpe laser en 3D.
En 2006, les premiers lasers sur silicium, gravés directement sur une puce électronique, comme le laser silicium hybride d'Intel, ouvrirent la voie au mariage entre photonique et électronique et à l'apparition des premiers composants optoélectroniques. En 2016, une équipe de chercheurs de l’Université de Princeton (New Jersey), dirigée par Alexander Tait, a mis au point la première puce neuromorphique photonique, composée de 49 neurones artificiels. Cette puce est 2000 fois plus rapide qu’un processeur classique. L'année dernière, la société grenobloise Scintil Photonics a présenté la première source laser multifréquence à rétroaction distribuée (DFB, Distributed FeedBack) intégrée sur une puce silicium arborant un espacement entre fréquences porteuses de100 GHz, ce qui permet d'envisager l’utilisation de puces photoniques très performantes dans des domaines très gourmands en puissance de calcul, comme l’intelligence artificielle (IA). Actuellement, le Caltech travaille sur un nouveau type de laser sur puce, "à verrouillage de mode", qui est fabriqué à l’aide de composants à l’échelle nanométrique, et pourrait permettre de délivrer des impulsions de seulement 50 femtosecondes (une femtoseconde est un quadrillionième de seconde), cent fois plus rapides que les nanolasers actuels.
Récemment, Thalès, avec le concours financier de l'Europe, a mis en service en Roumanie le laser le plus puisant du monde, inspiré des travaux de Gérard Mourou, Prix Nobel 2018 de physique, et de la chercheuse canadienne Donna Strickland. Ce laser hors norme utilise une nouvelle technique appelée “Chirped Pulse Amplification” (CPA). Ce monstre de puissance est capable de délivrer une énergie de 10 pétawatts (10 puissance 15 watts), mais pendant un temps ultra-bref, de l'ordre de la femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde). Ces nouveaux lasers ultrapuissants vont permettre de construire des accélérateurs à particules dix fois plus compacts et bien moins chers, qui pourront notamment être utilisés pour détruire les tumeurs cancéreuses difficiles d’accès, grâce à la protonthérapie. Ils pourraient également permettre de réduire sensiblement la durée de radioactivité de certains déchets nucléaires, ou encore de détruire les déchets spatiaux qui s'accumulent autour de la Terre. En novembre dernier, la NASA a réussi à transmettre des données par communication optique sur une distance de 16 millions de km, soit une transmission de 50 secondes à la vitesse de la lumière. Ce projet, baptisé DSOC (Deep Space Optical Communications), s'inscrit dans le cadre de la mission Psyché, partie en octobre dernier pour tester ce nouveau mode de communications spatiales qui présente l'avantage décisif, par rapport à la communication radio, de pouvoir assurer des transmissions à haut débit, ce qui sera nécessaire pour les futures missions d’exploration du système solaire et les voyages vers Mars.
Autre domaine dans lequel le laser est en train de bouleverser la donne tactique et stratégique, la Défense. En août 2023, l'armée américaine a reçu les premiers exemplaires d'une nouvelle arme redoutable. Il s'agit d'un canon laser, d'une puissance-record de 500 kW, pouvant abattre en plein vol drones et missiles. La firme Loocked Martin, qui a développé cette arme, dans le cadre du système HELIOS, travaille également sur des versions plus compactes et plus légères de ce laser militaire, l'idée étant de pouvoir l'embarquer sur un véhicule léger et même, à terme, de proposer une version portable par un seul soldat, éventuellement équipé d'un exosquelette robotisé. Depuis 2023, la marine américaine commence par ailleurs à être équipée en canons-laser de moyenne puissance, testés avec succès en 2020 et 2021 contre des drones et petites embarcations. En janvier dernier, le ministère de la Défense britannique a annoncé avoir réalisé le premier tir à haute puissance du DragonFire, sa nouvelle arme laser de combat (Voir GOV.UK). Cette arme redoutable, dont la puissance exacte n'est pas précisée, peut cibler une pièce d'un euro à plus d'un km de distance et chaque tir ne coûte qu'une dizaine d'euros. Le DragonFire devrait équiper la marine britannique dès 2027 mais le Gouvernement anglais compte offrir dès que possible cette nouvelle arme à l'Ukraine, afin qu'elle puisse intercepter et détruire plus efficacement les drones russes qui font des dégâts considérables sur son territoire.
La France, pour sa part, mise également sur ces nouvelles armes laser pour mieux faire face aux nouvelles menaces militaires et stratégiques de ce siècle. La loi de programmation militaire (LPM) 2024-2030 consacre 6 milliards d’euros (sur 413 milliards) sur 7 ans au renforcement de l’action de la France dans l’espace, avec notamment le programme FLAMHE, qui prévoit le déploiement en 2030, en orbite géostationnaire, d’un satellite de 100 kg doté d’un laser de forte puissance, capable d'aveugler, voire de détruire les satellites espions. Un autre projet laser, BLOOMLASE, conçu par ArianeGroup, vise à doter notre Armée de terre et notre Marine nationale d'un canon laser capable d’aveugler les satellites d’observation depuis le sol. Rappelons également qu'en juin 2023, le système, baptisé Helma-P pour "Laser haute énergie à applications multiples – puissance", embarqué sur la frégate Forbin, a réussi à détruire des drones distants d'un km, approchant le bâtiment en Méditerranée.
Les loisirs et le secteur du numérique vont également être bouleversés à court terme par une innovation dont on ne mesure pas encore la portée : le mini-projecteur laser à courte focale. Le nouveau projecteur laser Atom Smart Projector de la firme chinoise Dangbei pourrait bien remplacer, d'ici quelques années, les téléviseurs de grande taille, encombrants et très chers. De la taille d'un livre, cet appareil, qui pèse à peine plus d'un kg et coûte moins de 1000 euros, propose une très bonne qualité d'image et de son. On peut le déplacer très facilement d’une pièce à l’autre et le piloter via son portable, grâce à l'application Google Home. Dans une pièce sombre, il permet de s'offrir de véritables séances d cinéma chez soi, en affichant une excellente image de 100 pouces de diagonales (2, 50 mètres). De l'avis de nombreux spécialistes, ces mini-projecteurs laser, dont la qualité s'améliore très vite, et le prix ne cesse de baisser, remplaceront nos téléviseurs à écran plat d'ici la fin de la décennie. Quant on sait qu'il y a plus de deux milliards de téléviseurs dans le monde, dont la moitié sont connectés à internet, on mesure mieux le gigantesque enjeu économique, technique et industriel que constitue cette transition.
Le laser et ses dérivés sont également au cœur d'une nouvelle révolution en médecine et en biologie. Il y a quelques semaines, l'équipe japonaise du Professeur Takuya (Université d'Osaka) a montré qu'il était possible d'exploiter la puissance de la lumière laser pour accélérer la réaction entre les vésicules extracellulaires (VE) dérivées de cellules cancéreuses et les microparticules modifiées par des anticorps. Ces recherches montrent qu’il est possible de détecter ou mesurer, en seulement 5 minutes, une centaine de VE à l’échelle nanométrique, contenus dans un échantillon de 500 nL, ce qui ouvre la voie à des outils de détection ultrarapides et précis pour diagnostiquer les cancers (Voir RSC).
Au Québec, des chercheurs de l'Institut de recherche scientifique (INRS) ont réussi, avec des lasers infrarouges à très courtes impulsions, à atteindre des énergies comparables à celle des irradiateurs utilisés en radiothérapie pour le cancer. Cette nouvelle technique pourrait être appliquée pour la radiothérapie FLASH, une nouvelle approche dans le traitement de tumeurs résistantes à la radiothérapie conventionnelle. Cette technique consiste à délivrer de fortes doses de radiation en quelques microsecondes, ce qui permet une remarquable efficacité thérapeutique, tout en épargnant les tissus sains qui entourent la tumeur (Voir Wiley).
En France, la société Hemerion Therapeutics expérimente une technologie remarquable qui repose sur la destruction sélective par laser des cellules cancéreuses du glioblastome, un grave cancer du cerveau. Dans cette approche thérapeutique, le laser va détruire de manière très précise les cellules malignes ciblées grâce à un médicament photosensibilisateur. Signalons également une récente étude présentée par le Docteur Behr à l'occasion du dernier congrès de l’association française d'urologie (AFU) qui montre, sur plus de 67 000 patients, que dans le traitement chirurgical d’une hypertrophie de la prostate, il y a deux fois moins de complications hémorragiques et infectieuses en ayant recours à la technique de la vaporisation et l’énucléation par laser qu’avec la méthode chirurgicale classique.
Comment enfin ne pas évoquer les extraordinaires progrès de la chirurgie réfractive personnalisée, qui est train de révolutionner l'ophtalmologie et permet à présent de corriger la plupart des anomalies de la vision, myopie, astigmatisme, hypermétropie et plus récemment presbytie. La nouvelle génération de laser SMILE (Small Incision Lens Extraction), reposant sur un laser femtoseconde ou excimer, permet depuis quelques années de corriger un défaut de vision sans ouvrir la cornée, ni retirer sa couche superficielle. En outre, le patient bénéficie d’une meilleure cicatrisation et d'une récupération visuelle plus courte. 200 000 Français ont désormais recours à cette chirurgie de pointe chaque année et ces nouveaux outils laser pourraient bien rendre les lunettes caduques à l'horizon 2040.
On le voit, que ce soit dans l'industrie, l'électronique, l'informatique, les télécommunications, les loisirs, la biologie ou la médecine, le laser, dans ses multiples déclinaisons n'en finit plus de trouver de nouvelles applications et d'améliorer notre vie quotidienne. Et pourtant, cet outil d'une incroyable polyvalence et d'une souplesse sans pareil n'aurait jamais vu le jour sans la révolution théorique de la physique quantique il y a plus d'un siècle. C'est bien pourquoi nous devons retrouver le sens du temps long en matière de recherche et nous rappeler également que les avancées conceptuelles dans les domaines les plus abstraits finissent très souvent par déboucher sur des ruptures technologiques majeures qui bouleversent nos économies et nos sociétés...
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
e-mail : tregouet@gmail.com
