(Max) Planck & les lasers pulsés

Physicien allemand, 1858-1947

De par ses origines familiales ou ses dons personnels, Max Planck aurait pu être philosophe ou musicien. Au lycée à Munich, il composa une opérette : « L'amour dans la forêt ». Mais c'est finalement vers la physique que le jeune bachelier de 17 ans se tourne avec le désir de découvrir les lois absolues qui gouvernent le monde extérieur, indépendamment de l'homme.

La science « moderne » de l’époque est alors la thermodynamique (qui étudie comment l’énergie circule et se transforme). Elle a mis en lumière des lois universelles de la physique comme par exemple la conservation de l’énergie et vers la fin du XIX^e siècle, après les progrès considérables réalisés dans tous les domaines : mécanique, optique et donc thermodynamique, les physiciens pensent qu’ils touchent au but. Selon Lord Kelvin, grand thermodynamicien anglais, inventeur de l’échelle de température qui porte son nom,  les grandes bases de la physique seraient définitivement posées ; ne resteraient que quelques petites finitions à apporter comme par exemple le « petit » problème du corps noir. Fallait-il donc que les physiciens se reconvertissent ? Pas si sûr… Le même Lord Kelvin aurait dit aussi qu’un avion ne pourrait jamais voler…

A la fin du XIX^e siècle, Max Planck décide donc de s’intéresser au « petit » problème du « corps noir ».

Essayons de le résumer. Placez toutes sortes d’objets dans un four dont vous connaissez la température : ils auront tous la même couleur. Rouge par exemple. Chauffez un peu plus : ils deviendront tous orange. Encore un peu, les voici jaunes…. Tous les objets chauffés émettent un rayonnement électromagnétique, c'est-à-dire de la lumière visible (rouge, orange, jaune…) ou non (infrarouge, ultraviolet, etc..). Et ce que montre l’exemple du four, c’est que ce rayonnement – dit thermique - ne dépend pas de la nature de l’objet mais uniquement de sa température. Autre exemple, en astrophysique : on utilise cette propriété pour connaître la température de surface des étoiles. Pour appréhender ce phénomène, les physiciens ont imaginé un objet-modèle : le « corps noir » qui absorberait toutes les composantes du rayonnement électromagnétique. Dès 1896, une loi empirique, due à l’allemand Wilhelm Wien, permet de déduire la couleur d’un objet suivant sa température. Planck lui fournit des fondements théoriques grâce aux clés de la thermodynamique. En 1900, un désaccord entre des expériences toutes récentes et cette loi amène Planck à plancher de nouveau sur le problème. Il doit alors introduire un outil de calcul : il suppose que l’énergie lumineuse ne peut être émise que par paquet (ou élément d’énergie) et que la quantité d’énergie dans chaque paquet dépend de la couleur de la lumière: par exemple deux fois plus d’énergie dans un paquet violet que dans un paquet rouge.

Grâce à ce concept de paquet ou quantum d'énergie, théorie et expérience sont réconciliées. Une victoire pour Max Planck, même s'il ne réalise pas immédiatement la portée de sa découverte, qui introduit un aspect discontinu dans des phénomènes jusqu'alors décrits par des lois "classiques" continues.

Einstein en 1905 reprendra ce concept en donnant plus de réalité à ces paquets : la lumière est composée de petits grains, qui transportent une énergie bien déterminée dépendant de leur « couleur ». Ils seront baptisés photons (signifiant lumière en grec) en 1926 par le chimiste américain Lewis. Max Planck recevra le prix Nobel en 1919 pour avoir établi les fondements de la théorie des quanta qui ouvrit les portes de la physique moderne. La constante h, qui relie l’énergie du photon et sa fréquence, porte d’ailleurs son nom. Désormais, on sait que rien n’est continu à l’échelle microscopique : ni la matière, composée d’atomes, ni la lumière, constituée de photons.

Les photons sont aujourd’hui les compagnons quotidiens de bon nombre de chercheurs.

Un des débouchés spectaculaires de la compréhension de la nature de la lumière fut la prévision théorique puis la mise au point des lasers. Dans ces faisceaux de lumière, les photons, tous de la même couleur, c'est-à-dire transportant la même énergie, se dirigent tous en même temps dans la même direction. Cette lumière peut donc facilement être transportée et guidée ; elle peut aussi être concentrée grâce à des lentilles pour obtenir des puissances phénoménales.

© CNRS Photothèque.

Des équipes de chercheurs continuent à développer de nouveaux types de lasers, plus compacts pour certaines applications, plus puissants pour d’autres ou émettant dans de nouvelles gammes de longueur d’onde comme l’ultra-violet lointain ou les rayons X. Ils ont également réussi à grouper ces photons en tirs lasers de durées de plus en plus courtes : tous les photons peuvent être émis en quelques femtosecondes, fs (1fs =10^-15s) avec ces lasers « pulsés ».

D’autres équipes utilisent les lasers pour « voir » la matière à l’échelle microscopique (la façon dont un atome ou une molécule absorbe et réémet la lumière nous renseigne sur sa nature). On peut même utiliser les propriétés des lasers pour fournir de l’énergie aux molécules qui l’utilisent alors pour amorcer des réactions chimiques. Grâce aux lasers pulsés, l’énergie est déposée en un temps plus court que le moindre « mouvement » des molécules et en utilisant plusieurs lasers, décalés temporellement, on parvient à « filmer » les différentes étapes du processus chimique, voire à en modifier le déroulement…

Mots clés : corps noir, théorie des quanta, photon, lasers femtosecondes, lasers.