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Les lasers sont souvent présentés comme de bonnes illustrations de la nature quantique de la lumière et de la matière que l'on peut voir à l'œuvre à l'échelle macroscopique. Les faisceaux laser restent cependant, pour une large part, des objets qui manifestent la nature ondulatoire de la lumière telle qu'elle était décrite au XIXe siècle par les théories de Fresnel et Maxwell. Ainsi, les faisceaux laser ordinaires, bien que semblant former des tubes de lumière réguliers, restent soumis à des phénomènes de diffraction. Ils ont donc tendance à s'élargir et à baisser d'intensité au fur et à mesure qu'ils se propagent dans l'espace. Un réflecteur lunaire, tel celui équipant le rover lunaire russe Lunokhod, est par exemple éclairé par un fin faisceau laser provenant de la Terre dans une zone éclairée de plus d'un kilomètre de diamètre.
Il est possible, dans une certaine mesure, de palier cette diffraction des faisceaux lasers -- ainsi que celle d'autres faisceaux d'onde -- en utilisant ce que l'on appelle des faisceaux de Bessel, du nom du mathématicienmathématicien et astronomeastronome allemand Friedrich Wilhelm Bessel (1784 - 1846). Il existe aussi une autre méthode qui fait quant à elle intervenir des faisceaux d'Airy, du nom du mathématicien, astronome et physicienphysicien britannique George Biddell Airy (1801 - 1892). Ces faisceaux particuliers n'ont pas été découverts par ces deux mathématiciens mais ils portent tout de même leurs noms. Leurs travaux mathématiques se sont en effet révélés cruciaux pour les physiciens qui en ont fait la découverte et les ont étudiés au cours des quarante dernières années.
On s'est ainsi aperçu plus récemment que des dispositifs optiques capables de produire des faisceaux de Bessel et d'Airy -- et donc de générer des faisceaux laser non diffractants -- permettaient aussi de produire des effets spectaculaires, à savoir des faisceaux de lumière se courbant pour éviter des obstacles. De tels faisceaux augmentent encore les applicationsapplications technologiques possibles des lasers et montre que les sciences de la lumière, même dans des domaines qui semblaient classiques et bien connus, sont bien vivantes.
Le laser a révolutionné notre vie au quotidien. À l'occasion des 50 ans de l'invention du laser, le CNRS retrace ici les différents aspects de cette découverte scientifique. © Hervé Colombani, CNRS Images, Dailymotion
Des faisceaux laser qui ionisent l'air
Un groupe de chercheurs, dont certains sont membres du centre de PhysiquePhysique théorique de l'école Polytechnique, en France, et de l'institut national de Recherche scientifique du Québec, a publié récemment dans Science Advances un article qui élargit encore les perspectives d'utilisation des faisceaux de Bessel et d'Airy. Ils ont en effet montré que de tels faisceaux pouvaient servir à générer des décharges électriques courbes avec des sources laser.
Ce n'est pas la première fois que l'on étudie la possibilité de produire des décharges électriques contrôlables, et même des éclairs dans les nuagesnuages, à l'aide de faisceaux laser. Il n'est pas si difficile de comprendre pourquoi un tel phénomène est possible. En effet un faisceau laser intense génère, par ionisationionisation de l'airair, une fine colonne de plasma. Des électronsélectrons et des ionsions (et donc des charges libres) sont alors produits. Cependant, certaines charges libres, en se recombinant, induisent un chauffage et une détente de l'air, laissant un milieu moins dense et donc électriquement moins résistant. Les faisceaux laser non diffractants constituent donc un guide naturel pour la propagation d'une décharge électrique.
Les physiciens ont vérifié cette théorie en plaçant un dispositif optique capable de produire ces faisceaux entre deux électrodesélectrodes soumises à une différence de potentiel. Ils ont effectivement obtenu des décharges électriques capables de contourner des obstacles. Une application pourrait ainsi être la création de microsoudures par arc électriquearc électrique et de micro-usinage dans les environnements difficile d'accès. Cela servirait par exemple à la réalisation de petites machines. Une autre application est envisagée par les chercheurs : faire de la microscopie électronique avec des faisceaux d'électrons contournant les objets étudiés.
