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Ce lauréat du prix Nobel a ouvert la voie aux lasers à haute intensité.

Depuis son plus jeune âge, Donna Strickland avait pour ambition d’obtenir un doctorat. Cependant, elle ne savait pas quel sujet elle voulait étudier jusqu’à ce qu’elle commence ses études de premier cycle en physique à l’Université McMaster, à Hamilton, Ont., Canada. C’est là qu’elle a découvert son intérêt pour les lasers après avoir suivi un cours sur le sujet.

Le sujet lui semblait « vraiment cool – comme quelque chose d’un roman de science-fiction », déclare Strickland. Mais elle ne savait pas que cette passion naissante lui vaudrait un jour le prix Nobel de physique.

Alors qu’elle effectuait des recherches en optique pour son doctorat à l’Université de Rochester, à New York, Strickland a travaillé avec le physicien français Gérard Mourou, un pionnier des lasers et lauréat du prix Nobel. Mourou a dirigé le développement du réseau d’infrastructures de lumière extrême, des laboratoires de physique construits pour générer et étudier la lumière laser intense. Ensemble, lors de leurs expériences sur l’augmentation de la puissance de pointe d’un laser sans l’endommager, ils ont inventé la technique d’amplification à décalage de fréquence. Cette technique, qui produit des impulsions laser courtes à haute intensité, est maintenant utilisée dans les chirurgies oculaires correctives, l’imagerie médicale, la fabrication de smartphones et de nombreuses autres applications.

Strickland et Mourou ont partagé le prix Nobel de physique 2018 avec l’IEEE Life Fellow Arthur Ashkin, qui a inventé une autre technologie : les « pinces optiques », qui utilisent des faisceaux laser à faible puissance pour manipuler les cellules vivantes et d’autres objets minuscules.

Recevoir le Nobel a été « un changement de vie », déclare Strickland, ajoutant : « Votre vie peut changer en un seul jour sans que vous soyez prêt pour cela. »

Son invention lui a également valu l’adhésion d’honneur de l’IEEE cette année, parrainée par l’IEEE. Elle déclare que cette reconnaissance est spéciale car ses collègues l’ont nominée.

« Le travail de Donna a été transformateur. Ses recherches fondamentales sur l’amplification à décalage de fréquence sont la norme de l’or de la recherche », a déclaré l’un de ses endosseurs de prix. « De plus, elle est un véritable modèle pour des légions d’ingénieurs du monde entier. C’est une personne très généreuse et un exemple lumineux de ce qu’un membre d’honneur de l’IEEE devrait être. »

Strickland est professeur de physique à l’Université de Waterloo, en Ontario, où elle dirige un groupe de chercheurs qui développent des systèmes laser à haute intensité pour des investigations en optique non linéaire, comme la génération d’impulsions mid-infrarouges par mélange de différence de fréquence et l’étude de la technique multifréquence de génération de Raman.

Après avoir obtenu son diplôme en 1981 avec un baccalauréat en génie en physique de McMaster, Strickland a déménagé à New York pour poursuivre un doctorat en optique à l’Université de Rochester, alors considérée comme l’une des meilleures écoles pour étudier l’optique laser. Elle a rejoint Mourou au Laboratoire d’Énergétique Laser de l’université, où il cherchait des moyens d’augmenter l’intensité des lasers (sa puissance optique) sans endommager le dispositif.

Les lasers pulsés peuvent concentrer la lumière sur une petite zone pendant une courte période pour produire de la puissance. Les intensités de pointe ont rapidement augmenté pendant plusieurs années après que le physicien Theodore Maiman ait démontré le premier laser en 1960. Cependant, les intensités ont stagné pendant plus d’une décennie après 1970 car l’amplification de la lumière au-delà d’un certain point endommageait le laser.

Dans sa recherche sur la façon dont la lumière interagit avec la matière, Mourou a formulé l’hypothèse en 1983 que l’espacement et l’augmentation des impulsions avant de les ramener ensemble pourraient produire des impulsions laser à plus haute intensité sans dommages. Mais il ne savait pas comment y parvenir, explique Strickland. Pour sa recherche doctorale, elle a donc testé son hypothèse avec différents systèmes laser. Cependant, aucune de ses expériences n’a fonctionné.

« Donna est un véritable modèle pour des légions d’ingénieurs du monde entier. C’est une personne très généreuse et un exemple lumineux de ce qu’un membre d’honneur de l’IEEE devrait être. »

Ce n’est qu’après que Strickland et Mourou ont assisté à la Conférence internationale sur les phénomènes ultra-rapides de 1984 qu’ils ont trouvé la solution. L’événement biennal rassemble des scientifiques qui développent des outils, des méthodes et des techniques pour étudier les processus dans les atomes, les molécules ou les matériaux qui se produisent en millionième de milliardième de seconde ou plus rapidement.

Strickland et Mourou ont assisté à une présentation sur la récente compression d’impulsions de fibre optique des lasers Nd:YAG dopés au néodyme et à l’aluminium-yttrium. Avec cette technique, des impulsions de 100 picosecondes pouvaient être comprimées à 1 ps en utilisant l’optique non linéaire dans une fibre optique pour augmenter la bande passante d’un laser. Il a été constaté que la compression était la plus réussie lorsque les impulsions étaient autorisées à s’étirer par dispersion dans la fibre.

« J’utilisais ces mêmes lasers pour mes expériences », se souvient Strickland. Elle et Mourou ont découvert comment elle pouvait créer en toute sécurité l’impulsion à haute intensité : l’impulsion devait être étirée avant d’être amplifiée plutôt qu’après, comme cela avait été fait auparavant. Étirer l’impulsion signifiait qu’elle pouvait être recomprimée pour produire l’intensité souhaitée.

Pour tester sa théorie, Stickland et Mourou ont construit un système au Laboratoire d’Energétique Laser qui était composé d’un laser Nd:YAG de 2 watts, de 1,4 km de fibre optique, d’un amplificateur et d’une paire de réseaux de diffraction parallèles.

Le laser Nd:YAG a pompé une impulsion courte de 100 ps dans la fibre optique. Comme la vitesse de la lumière dépend de la longueur d’onde, la composante rouge de la lumière se propage plus rapidement que la composante bleue dans la fibre. Cela est appelé une « impulsion chirpée », explique Strickland, car le structure de fréquence est similaire à celle d’un chant d’oiseau.

L’impulsion chirpée rend la durée de l’impulsion plus longue et étale l’intensité de sorte qu’elle ne détériore pas le laser. L’impulsion à densité d’énergie plus faible, étirée, a ensuite été amplifiée et passait par une paire de réseaux de diffraction parallèles, ce qui permettait à la composante bleue retardée de rattraper la composante rouge. Les deux ont été réassemblés en réfléchissant sur les réseaux. L’impulsion réassemblée était trois fois plus puissante que l’originale, explique Strickland.

La technique, qui a été nommée d’après l’impulsion chirpée, a depuis ouvert la voie aux impulsions laser les plus courtes et les plus intenses jamais créées, ce qui permet de construire des systèmes laser plus compacts et plus précis.

Après avoir contribué au développement de l’amplification à décalage de fréquence, Strickland n’était toujours pas sûre de sa carrière future. Elle a demandé conseil à ses collègues, et l’un d’eux lui a dit que Paul Corkum, un physicien qui travaillait dans le département des phénomènes ultra-rapides du Conseil national de recherche du Canada, recevait sa première bourse postdoctorale cette année-là. Corkum, qui s’était spécialisé dans la science des lasers, a été un pionnier du développement de la physique attoseconde. Strickland a aimé le son de cela.

« Je me souviens avoir dit aux autres candidats au doctorat de mon laboratoire de recherche que Corkum ne connaissait peut-être pas encore mon nom, mais que j’allais être sa deuxième boursière postdoctorale», dit-elle. Elle a obtenu son emploi de rêve en 1988 et a travaillé pour lui pendant trois ans.

En 1991, elle est devenue physicienne au Lawrence Livermore National Laboratory, une installation du Département de l’énergie des États-Unis en Californie. Alors qu’elle vivait sur la côte ouest, son mari, physicien, vivait sur la côte est, travaillant chez Bell Labs à Murray Hill, N.J. Après une année passée séparés, Str

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