Comment fabriquer un sabre LASER?

Commençons par quelques considérations physiques.

Le mot « LASER » est un acronyme signifiant Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, soit en français : amplification de lumière par émission stimulée.

On peut énumérer trois grands types d’interactions entre la matière est le rayonnement : l’absorption d’un photon par un atome, l’émission spontanée d’un photon ainsi qu’un troisième phénomène décrit par Einstein en 1917 et qui nous intéresse ici : l’émission stimulée. Détaillons ces trois interactions :

• L’absorption : un photon est reçu par l’atome et le fait passer d’un état d’énergie bas, appelé état fondamental, à un état d’énergie plus élevé, appelé état excité. Il est à noter que l’énergie du photon correspond exactement à l’écart d’énergie entre l’état fondamental et l’état excité. Ainsi cette énergie est entièrement récupérée par l’atome.

Avant absorption : le photon se dirige vers l’atome qui est dans l’état fondamental de basse énergie.

Après : le photon a été absorbé et l’atome est passé dans l’état excité de haute énergie.

• L’émission spontanée correspond au phénomène inverse : un atome dans un état excité émet spontanément un photon et repasse dans son état fondamental. Ici encore, il y a conservation de l’énergie. L’énergie perdue par l’atome est récupérée par le photon.

Avant émission spontanée : l’atome est à l’état excité.

Après émission spontanée : l’atome est passé dans l’état fondamental et un photon a été émis.

• L’émission stimulée. Considérons désormais un atome dans un état excité et envoyons-lui un photon emportant une énergie correspondant exactement à l’écart . Le photon n’est pas absorbé car l’atome est déjà excité. Il traverse ce dernier et le force à redescendre dans l’état fondamental et à émettre un deuxième photon d’énergie exactement égale à celle du premier. Or la fréquence d’un photon est reliée à son énergie par la relation suivante : avec  la constante de Planck. Les deux photons sortants ont donc exactement la même fréquence.

Avant émission stimulée : un photon de la bonne fréquence arrive sur un atome excité.

Après émission stimulée : un deuxième photon rejoint le premier et possède exactement la même fréquence. L’atome retombe dans l’état fondamental.

On a donc trouvé en l’émission stimulée, un mécanisme permettant d’amplifier la lumière. Grâce à un milieu rempli d’atomes excités, on peut créer de nouveaux photons à chaque traversée. Problème : à cause de l’émission spontanée, les atomes ont tendance à rester en majorité dans l’état fondamental. On réalise alors une opération appelée pompage optique qui consiste à irradier les atomes pour les forcer à passer massivement dans l’état excité.

Lorsqu’un faisceau lumineux à la bonne fréquence traverse le milieu plusieurs fois, il est amplifié progressivement. On dit que le milieu est amplificateur. Tous les photons du faisceau ont alors la même fréquence. Un moyen simple de permettre des traversées multiples consiste à enfermer le milieu entre deux miroirs. Cela permet d’ailleurs d’affiner la fréquence du faisceau.

À cause des vibrations causées par la température du milieu, les atomes sont en mouvement lors des absorptions et des émissions. Ceci a tendance à décaler légèrement la fréquence de la lumière émise à cause de l’effet Doppler. Ce léger décalage, qui est également dû à des propriétés de l’atome lui-même, se fait aléatoirement vers les fréquences basses ou élevées. Il s’agit du même effet que celui modifiant la fréquence des voitures selon qu’elles se rapprochent ou s’éloignent de l’observateur.

On obtient alors un profil d’émission de la forme suivante :

Il s’agit d’une gaussienne, fonction dont on a parlé il y a peu.

On constate un étalement des fréquences émises autour de la fréquence moyenne. Cet étalement, proportionnel à la température, est généralement très faible : les photons émis ont des fréquences très proches les unes des autres. Toutefois, il est possible d’améliorer encore un peu plus la finesse de l’émission grâce à la présence des miroirs.

De la même manière que pour la vibration d’une corde maintenue fixe à ses extrémités, seules un certain nombre de fréquences peuvent résonner lors de l’oscillation entre les miroirs. Ces fréquences  vérifient la relation de quantification avec la vitesse de propagation, la longueur entre les miroirs et un nombre entier quelconque. À chaque valeur de correspond une possibilité d’oscillation que l’on nomme un mode.

Seules quelques fréquences sont alors sélectionnées dans le profil présenté précédemment :

En laissant s’échapper une petite fraction du rayonnement, on obtient un faisceau LASER de fréquence extrêmement bien définie aux applications innombrables allant des télécommunications aux mesures physiques de précisions en passant par la lecture de code-barres, l’impression, la soudure de matériaux…

Pour en revenir au sabre LASER, on constate au vu des caractéristiques présentées ci-dessus, que plusieurs problèmes se posent. Premièrement, le LASER émet de la lumière qui n’a aucune raison de s’arrêter au bout d’un ou deux mètres. Ensuite, l’entrechoquement des sabres ne peut se produire vu que ceux-ci ne sont constitués que de lumière. Enfin, l’aspect lumineux tout le long de la trajectoire ne peut être observé que si l’air est suffisamment poussiéreux.

Les combats de Jedi se feraient donc plutôt avec un « sabre plasma ». Pour fabriquer un tel engin, il faudrait ioniser un gaz, c’est-à-dire lui arracher ses électrons en le portant à très haute température, puis confiner le plasma ainsi formé à l’aide d’un champ magnétique très puissant. Petit souci, pour obtenir le champ magnétique désiré, il faudrait alimenter le sabre avec la même puissance qu’une centrale nucléaire. Il faudra donc attendre encore quelque temps avant de pouvoir assister à des combats aux sabres futuristes.

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