Soutenir la révolution quantique
Calcul, détection, communication, métrologie… La révolution quantique « pousse au développement de lasers de plus en plus performants », observe Pierre Laygue, chef produit lasers continus à haute puissance à Toptica Photonics. C’est l’un des grands fournisseurs de lasers aux fabricants d’ordinateurs quantiques, dont les qubits reposent sur des atomes froids ou des ions piégés. Ceux-ci requièrent un flux continu de photons cohérents pour être piégés, refroidis puis manipulés, processus indispensable au calcul quantique. Seuls des lasers assez puissants – des dizaines de watts – permettent de contrôler en parallèle le nombre toujours croissant de ces qubits.
Ensuite, les lois de la physique quantique dictent une conception sur mesure et des longueurs d’onde non conventionnelles. « L’atome de rubidium, le plus utilisé, présente une résonance à 780 nanomètres [un pic d’absorption, ndlr], précise Johan Boullet, le responsable de l’innovation à l’Institut d’optique. Sans cette longueur d’onde, on ne peut pas le refroidir ni le manipuler. En conséquence, le bruit d’intensité du laser, soit la fluctuation de la puissance moyenne autour de sa valeur nominale, doit être extrêmement bien maîtrisé. Sinon la température des atomes piégés augmente et compromet leur manipulation. »
Les remèdes sont le développement d’une architecture laser à bas bruit intrinsèque ou des boucles de rétroaction après chaque amplification pour asservir ce bruit, grâce à des composants électro-optiques (« noise eaters »). « La valeur moyenne du bruit d’intensité de nos lasers sur une gamme de fréquence donnée est de 0,01 %, signale Pierre Laygue. C’est 100 à 1 000 fois moins qu’un laser de puissance pour l’usinage. »
S’ajoute le bruit de fréquence, la longueur d’onde du laser devant entrer exactement en résonance avec l’atome. « On doit éliminer toute dérive, ce qu’on fait en verrouillant la cavité laser sur la longueur adéquate », indique Johan Boullet. Le programme atomQtrl, qu’il supervise, d’une durée de cinq ans (avec le soutien de l’Agence nationale de la recherche), vise à consolider une filière industrielle nationale spécialisée. Il s’agira d’entretenir ce savoir-faire et de mettre en œuvre une stratégie R&D pour concevoir, en France, les briques technologiques nécessaires à ces lasers.
Améliorer et sécuriser les télécommunications satellites
Un chat tourneboulé par le point rouge d’un pointeur laser : voici le thème de la courte vidéo que les facétieux ingénieurs de la Nasa ont réceptionnée, en décembre dernier, par le biais du laser de la sonde spatiale Psyché, pourtant éloignée de 31 millions de kilomètres. Un tour de force qui symbolise l’intérêt grandissant pour les télécommunications spatiales optiques. Et pour cause : cette technologie directive est plus sécurisée que la transmission par radiofréquences, promet un débit supérieur (de l’ordre du térabit par seconde) et n’est pas soumise aux règles d’allocation de fréquences, entre autres qualités.
Les constellations de satellites, à l’instar de Starlink, et l’ERDS (système européen de relais de données par satellite) en font déjà usage pour des communications intersatellites. En revanche, la traversée de l’atmosphère, milieu perturbateur pour un signal optique, reste un enjeu de R&D. « Même par ciel clair, le signal peut s’évanouir en raison de turbulences évoluant en quelques millisecondes, soulève Jean-Marc Conan, chercheur à l’Onera. Les codes de correction d’erreur ne suffisent plus. »
Le centre français de recherche aérospatiale creuse la piste de l’optique adaptative. « Un miroir déformable corrige le déphasage pour compenser, en partie, l’effet de l’atmosphère, poursuit-il. En sondant la turbulence avec le lien descendant, on peut modifier en conséquence le lien montant pour favoriser sa propagation. Cependant, même si le satellite est géostationnaire, son déplacement sur son orbite fait que le chemin parcouru dans le sens montant diffère de celui parcouru en descendant : le volume de la turbulence traversée n’est plus le même. Des modèles statistiques sont à l’étude pour y remédier. » Cette approche a été confortée par le projet européen Vertigo, qui s’est achevé en 2022, en Suisse, par la démonstration d’une liaison laser sol-sol sur une distance de 53 km. L’Onera a depuis implanté au sud de Toulouse le démonstrateur Feelings, dont le télescope de 60 cm est équipé d’une optique adaptative. Des tests sont envisagés avec Teleo, un dispositif laser embarqué en mai 2023 dans le satellite géostationnaire Badr-8 d’Airbus Defence and Space. Cilas a développé un amplificateur optique de 5 W pour ce projet.
Si les lasers en eux-mêmes sont comparables à ceux employés de longue date dans les télécoms, leur « spatialisation » ne va pas de soi. « Dans le vide, faute de convection, quelques centaines de milliwatts suffisent à noircir une fibre optique, fait remarquer Raphaël Cousty, le responsable des produits télécoms optiques à Cilas. Notre savoir-faire est de raccourcir le chemin thermique jusqu’au point froid du satellite. »
Thales Alenia Space, de son côté, a conclu un accord avec l’opérateur grec Space Hellas pour éprouver puis déployer, en 2029, un service de télécoms optiques à bord d’un satellite géostationnaire. Lequel sera aussi un nœud du réseau spatial optique à haut débit qu’ambitionne l’Agence spatiale européenne, dans le cadre du projet Hydron.
Les nanolasers de Ncodin s’insèrent entre les puces
Avec Ncodin, on change d’échelle, passant de communications laser dans l’immensité de l’espace à des liaisons optiques entre puces sur des distances de quelques millimètres. La deeptech française conçoit des lasers d’une vingtaine de micromètres et des circuits photoniques (guides d’onde, photodiodes...) qui pourraient remplacer les interconnexions métalliques actuelles, reliant des puces (ou chiplets) regroupées sur un même interposeur. La bande passante serait 1000 fois supérieure et la consommation énergétique serait divisée par 100. Ces nanolasers sont le fruit des travaux de Fabrice Raineri, professeur des universités à l’Institut de physique de Nice (université Côte d’Azur). Fabriqués en phosphure d’indium (InP) puis collés sur un substrat de silicium, ils sont composés de cristaux photoniques dont la structure périodique permet de contrôler précisément la propagation de la lumière. Ncodin devait boucler une levée de fonds en avril. La commercialisation de la technologie est envisagée en 2028.
Accélérer les procédés de transformation des matériaux
Plus rapide, plus puissant : le laser doit gagner en productivité pour traiter des surfaces toujours plus grandes, à un rythme toujours plus élevé. Alors que la puissance des lasers impulsionnels commerciaux culmine à quelques centaines de watts, l’évolution vers le kilowatt fait partie des objectifs du projet européen Flexiburst, coordonné par le CNRS et qui sera finalisé en juin. « Nous l’atteignons en laboratoire, assure François Courvoisier, directeur de recherche CNRS à l’Institut Femto-ST à l’université de Franche-Comté. Mais la technologie doit être fiabilisée pour fonctionner en environnement industriel, où les conditions sont variables. » L’amplification est obtenue par 48 passages dans un milieu à gain mince et circulaire (« thin disk »). L’évacuation de la chaleur, qui se compte alors en centaines de watts, représente un défi d’ingénierie.
« Le radiateur, à l’arrière du réflecteur du thin disk, est raccordé à un circuit d’eau glacée, le tout sans vibrations », précise François Courvoisier. Les recherches, fructueuses, ont aussi permis d’augmenter le taux de répétition des impulsions femtosecondes au-delà du gigahertz. « La femtseconde, c’est un peu de l’usinage au pinceau, car la quantité de matière enlevée par minute est très faible. Une impulsion nanoseconde en retire dix fois plus, mais la matière ayant le temps de chauffer, l’opération est moins propre. Les impulsions femtosecondes à une fréquence de l’ordre du gigahertz sont un bon compromis. » Ce taux de répétition est par ailleurs programmable, grâce à un peigne de fréquences, offrant de la flexibilité. « Il n’est plus fixé par la longueur de la cavité. Sa programmation fera partie des lasers de prochaine génération. »
Tekniker Achevé en 2023, le projet Multipoint visait à développer un laser femtoseconde de 1,2 kW pour le perçage de panneaux en titane utilisés dans l’aéronautique. (Photo : Tekniker)
Deux autres projets européens, achevés en 2023, témoignent de cette volonté d’accélérer la cadence : Multipoint, pour texturer des ailes d’avions – ce qui économiserait 9 % de carburant –, et Multiflex, pour la texturation de surfaces plus généralistes. L’idée est de diviser le faisceau laser pour qu’il fonctionne à plusieurs endroits simultanément, ce qui impose d’accroître la puissance initiale. « Dans Multipoint, on visait une puissance de 1,2 kW, commente Julien Pouysegur, ingénieur R&D laser à Amplitude Laser, entreprise qui a contribué aux deux projets. On l’obtient en disposant plusieurs « slabs » en série [un milieu amplificateur sous forme de pavé dans la tranche duquel le laser se propage, ndlr], mais le profil spatial du laser se dégrade au point que la qualité d’usinage s’en ressent. Nous avons quand même conçu un laser de 600 W, insuffisamment mûr pour être commercialisé. »
Dans le projet Multiflex, on passe de 4 à 64 sous-faisceaux. Une matrice où chaque sous-faisceau peut être allumé ou éteint à loisir, de manière à optimiser la vitesse et la qualité du procédé. Le délai entre impulsions est réglable à la demande, « ce qui se développe depuis quelques années », indique Julien Pouysegur. Là encore, le kilowatt reste hors de portée et l’institut Fraunhofer, qui pilote le projet, doit améliorer l’alignement des faisceaux. La technologie sera valorisée ces deux prochaines années grâce à un laboratoire commun monté par les partenaires.
Durcir le métal à coup de marteaux photoniques
Le projet Forgelaser a réuni le laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux (Pimm) de l’Ensam, le CEA ou encore Airbus, pour élaborer un dispositif de martelage par choc laser qui durcit même l’intérieur des alésages. Le principe, déjà ancien, consiste à renforcer la résistance à la fatigue des surfaces métalliques grâce à la propagation d’ondes de choc, créant des contraintes résiduelles de compression. Le laser est en compétition avec le grenaillage par billes d’acier. « Il est sans contact, très localisé et le niveau de contrainte est plus élevé et plus profond », détaille Laurent Berthe, directeur de recherche CNRS au Pimm et coordinateur du projet. La première réussite de Forgelaser a été la découverte d’un adhésif acrylate remplaçant l’eau confinant d’ordinaire le plasma pour accentuer la pression du laser. « Difficile d’employer de l’eau dans un alésage ou à proximité de l’électronique. » Le laser, réalisé sur mesure par Thales (1 joule, 10 nanosecondes et 200 Hz), « rentre dans une voiture citadine » et peut traiter l'intérieur des alésages via la fibre optique. Airbus a construit un démonstrateur.
Démocratiser la spectroscopie moyen infrarouge
« Chercher une aiguille dans une botte de foin. » Selon Bertrand Bourlon, qui dirige le laboratoire Capteurs optiques au CEA-Leti, voici à quoi ressemble la détection, dans des environnements complexes, de composés moléculaires à la concentration souvent infime. La spectroscopie dans le moyen infrarouge (MIR), c’est-à-dire de 2,5 à 25 microns environ, qui implique d’exciter les niveaux d’énergie de rotation et de vibration des molécules grâce à la lumière, fournit avantageusement d’intenses raies d’absorption.
« Les signatures chimiques sont très spécifiques, comme celle du CO2 à 4,3 micromètres », indique Bertrand Bourlon. Fonctionnant à température ambiante et compacts, les lasers à cascade quantique (QCL, en anglais) sont aujourd’hui privilégiés pour l’émission dans cette gamme de longueurs d’onde. « Ils appartiennent à la catégorie des lasers semi-conducteurs. Mais au lieu d’exploiter la recombinaison radiative électron-trou au travers de la bande interdite, on utilise des transitions entre des sous-bandes d’énergie dans la bande de conduction. »
Yann Lee / CEA Cette plaque de silicium de 200 mm accueille les matériaux nécessaires à la fabrication de lasers QCL. (Photo : Yann Lee / CEA)
Ces sous-bandes d’énergie sont obtenues grâce à l’assemblage de couches de matériaux nanométriques, typiquement de l’arséniure de gallium-indium et de l’arséniure de gallium-aluminium. On fabrique ainsi une structure à confinement quantique : une succession de « puits quantiques », délimités par les sous-bandes d’énergie. Un électron peut alors « cascader » de puits quantique en puits quantique par effet tunnel, en émettant à chaque fois un photon dans le MIR, dont l’énergie correspond à la différence d’énergie entre les sous-bandes. On peut même jouer sur l’épaisseur des couches de matériaux pour varier la longueur d’onde de l’émission.
Les QCL sont historiquement fabriqués sur des substrats de phosphure d’indium (InP), un procédé onéreux. Le projet du laboratoire Capteurs optiques est de les démocratiser en développant une filière de fabrication sur silicium, au coût inférieur et au rendement supérieur. « Nous avons un démonstrateur et comptons stabiliser la technologie d’ici un à deux ans, avant de la transférer chez un fondeur, déclare Bernard Bourlon. On diviserait par 1 000 le coût des QCL, ce qui réduirait fortement le prix des systèmes de spectroscopie MIR intégrés. » Le marché des montres physiologiques mesurant la glycémie, à vocation médicale ou sportive, est visé à terme. Selon Bertrand Bourlon, la spectroscopie MIR par QCL, distinguant des raies très spécifiques, serait plus fiable que la spectroscopie laser dans le proche infrarouge, étudiée actuellement pour mesurer le taux de glucose.
