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Un laser à semi-conducteurs qui émet… de la lumière blanche

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L'idée d'un laser blanc semble paradoxale. En effet, dans un laser, la lumière émise est pure alors que la lumière blanche est composée de plusieurs longueurs d'onde. Pourtant, une équipe de chercheurs de l'Arizona State University, aux États-Unis, a bel et bien réussi à concevoir un laser émettant de la lumière blanche avec des semi-conducteurs. Le concept reste encore à développer mais il pourrait fournir un équivalent plus rapide du Wi-Fi : le Li-Fi.

Le principe du laser à lumière blanche est simple à expliquer mais bien difficile à réaliser. Les physiciens ont réussi à assembler, dans un petit volume, trois matériaux semi-conducteurs présentant l'effet laser mais émettant de la lumière de trois couleurs différentes sous l'influence d'un faisceau laser de couleur bleue. Ces émissions peuvent alors se mélanger. © ASU/Nature Nanotechnology

Lorsque le concept de laser issu des travaux d'Einstein a été concrétisé, plusieurs des grands maîtres de la mécanique quantique, à savoir Niels Bohr et John von Neumann, n'en ont pas cru leurs oreilles : la lumière laser émise était, de par la nature même du phénomène mis en jeu, particulièrement pure, c'est-à-dire constituée d'ondes ayant presque la même fréquence. Quel n'aurait pas été leur étonnement à la lecture de l'article qui vient d'être publié dans Nature sous le titre A monolithic white laser. Celui-ci relate en effet la réalisation d'une émission laser de lumière blanche. Ce n'est pas le premier laser du genre mais les précédents utilisaient des cristaux photoniques qui ne sont pas des semi-conducteurs.

Comme le montre l'utilisation d'un prisme, la lumière blanche est clairement composée d'un grand nombre d'ondes de fréquences différentes. Il semble donc impossible d'obtenir un laser émettant de la lumière blanche. Mais, comme l'expliquent les chercheurs de l'Arizona State University qui ont réalisé un tel laser, l'explication de l'énigme est simple. Ils ont utilisé un feuillet très fin (son épaisseur correspond à un millième de celle d'un cheveu humain et sa taille à un cinquième) et ont réussi à y grouper trois matériaux semi-conducteurs émettant dans trois bandes spectrales différentes dans le visible. Il ne s'agit donc que de la combinaison habituelle de sources de lumière de couleurs différentes afin d'obtenir de la lumière blanche.

Le laser est né durant les années 1960, depuis il est petit à petit devenu incontournable dans beaucoup d’applications. Unisciel et l’université de Lille 1 nous expliquent durant cet épisode de Kézako le fonctionnement de cette invention révolutionnaire. © Unisciel

Contrairement aux apparences, la réalisation n'a rien de triviale. Il faut en effet pouvoir assembler, dans un volume suffisamment petit, des matériaux différents : une opération bien délicate. Certains semi-conducteurs émettent en effet dans différentes couleurs et sont utilisés pour obtenir un effet laser ou des Led, comme les sulfures de cadmium et de sélénium ou le nitrure d'indium et de gallium. L'un des paramètres physiques clés pour obtenir ces émissions de lumière est la distance entre les atomes. Or, les cristaux sont différents et il est difficile de les faire croître simultanément pour obtenir un matériau présentant toutes les caractéristiques attendues d'un laser à lumière blanche pouvant avoir des applications intéressantes.

Du Li-Fi au moins dix fois plus rapide que le Wi-Fi

Les physiciens ont contourné l'obstacle et savent désormais associer trois matériaux semi-conducteurs manifestant l'effet laser sous l'influence d'une autre source laser. Il ne s'agit donc pas encore du laser blanc idéal recherché depuis un certain temps car il faudrait que l'effet se déclenche sous l'effet d'une simple différence de potentiel, comme c'est le cas par exemple avec les Led.

En effet, l'une des principales applications d'un laser blanc serait de remplacer les sources d'éclairage traditionnelles. Les Led sont déjà moins gourmandes que les ampoules classiques mais avec des lasers à lumière blanche, les performances, aussi bien du point de vue de la luminosité que de la consommation d'énergie, seraient encore meilleures. Un tel laser pourrait aussi être exploité pour les écrans des ordinateurs portables et des téléviseurs.

Un autre débouché est également évoqué par les physiciens : le Li-Fi. Le terme est construit par analogie avec celui de Wi-Fi, contraction de Wireless Fidelity, qui ferait elle-même référence au terme Hi-Fi, High Fidelity en anglais. En plus de produire de l'éclairage, des dispositifs avec lasers blancs seraient en effet au moins dix fois plus rapides que ceux utilisés aujourd'hui pour le Wi-Fi.

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