Les lasers, technologie de base du monde moderne et de l'avenir

Le potentiel des lasers

Depuis la construction du premier laser en 1960, et les scientifiques à l'origine de la physique qui l'a rendue possible ont reçu le prix Nobel de physique en 1964La technologie a continué à trouver de nouvelles applications. Les lasers sont couramment utilisés pour :

• gravure et impression,
• les communications par fibre optique,
• les disques optiques,
• la fabrication de semi-conducteurs,
• chirurgie,
• les soins de santé,
• mesures,
• le ciblage militaire.

Dans un avenir proche, elles pourraient même devenir essentielles dans les processus de fabrication (soudage, impression 3D), les télécommunications par satellite, la propulsion de vaisseaux spatiaux, la biotechnologie, l'informatique (photonique), la fusion nucléaire et même les armes.

Principes du laser

Laser est un acronyme qui signifie Llumière Amplification par Stimbré Emission de Radiation. L'idée maîtresse de la technologie laser est de produire une lumière "cohérente" au lieu d'une lumière ordinaire.

Les faisceaux de lumière cohérents créent une lumière très étroite à une seule longueur d'onde qui ne se disperse pas sur de longues distances.

Source : Britannica

Pour créer un laser, il faut stimuler les atomes de l'émetteur, généralement constitués de gaz mais pouvant aussi être liquides ou solides, afin qu'ils émettent de la lumière et que la majeure partie de cette lumière soit piégée et réfléchie à l'intérieur du laser jusqu'à ce qu'elle puisse s'échapper sous la forme d'un faisceau de lumière cohérent.

Source : Université de Kwazulu-Natali

Les lasers peuvent être fabriqués pour une grande variété de longueurs d'onde, chacun utilisant son propre matériau pour produire la lumière, ce qui modifie leur mode de fonctionnement. Les différentes longueurs d'onde transportent différents niveaux d'énergie et sont absorbées différemment en fonction du matériau ciblé.

Par exemple, même dans le domaine médical, de nombreux lasers différents peuvent être utilisés en fonction de l'objectif.

Source : Université de Kwazulu-Natali

(Les lecteurs intéressés par les principes scientifiques qui sous-tendent le laser peuvent lire "Principes du laser"pour en savoir plus).

Amélioration de la technologie laser

Au fil des ans, les lasers se sont considérablement améliorés. De nouveaux matériaux ont augmenté les longueurs d'onde disponibles, le CO₂rubis, titane-saphir, et lasers à points quantiques (lui-même prix Nobel de physique en 2023).

Cela a ouvert la voie à des lasers à impulsions ultra-courtes, ainsi qu'à des lasers adaptés à des applications spécifiques dans les domaines de la fabrication et de la médecine.

Les lasers de faible puissance sont rapidement devenus suffisamment bon marché pour être intégrés dans les lecteurs de codes-barres dans les années 1970. Plus tard, ils seront utilisés pour lire les données stockées dans les CD, puis les DVD et les disques Blu-Ray.

Source : Guerre des lasers

De nouvelles formes de lasers pourraient également se profiler à l'horizon, avec, par exemple, "Les lasers à ciel ouvertqui pourrait être plus robuste et plus léger.

Applications laser

Observations sur le temps infinitésimal

L'une des applications des impulsions laser ultracourtes consiste à "éclairer" une cible très brièvement, de l'ordre de la femtoseconde, soit un million de milliardièmes de seconde.

Cela rend possible l'observation de phénomènes tels que les réactions chimiques des molécules, auparavant considérées comme instantanées.

Source : Prix Nobel

Les progrès réalisés ouvrent même un tout nouveau domaine scientifique, la science de l'attoseconde (1/1000^th d'une femtoseconde). Grâce à elle, les scientifiques peuvent étudier la la dynamique des électrons à l'intérieur des atomes et des molécules, et la matière en phase condensée pourraient être étudiées.

Gravure et fabrication

Les lasers peuvent être utilisés pour sculpter des matériaux avec une grande précision. Toutefois, le problème est qu'une utilisation trop longue du laser entraîne un échauffement rapide du matériau, ce qui crée des ondes de choc dommageables. Ce problème se posait auparavant pour les lasers puissants ou les matériaux ne présentant pas de défauts.

Les lasers femtoseconde améliorés effectuent toujours la découpe, mais ils sont suffisamment courts pour ne pas surchauffer, ce qui élimine ce problème.

Source : Prix Nobel

Aujourd'hui, les lasers sont couramment utilisés pour percer, découper, marquer, texturer et souder les métaux, ainsi que le plastique, le bois, le verre, etc.

"De nombreuses pièces fabriquées aujourd'hui nécessitent des caractéristiques microscopiques qui ne peuvent être créées que par le perçage au laser.

De très petites caractéristiques complexes peuvent être produites dans une variété de matériaux, avec des méthodes telles que l'écriture directe, la trépanation et la projection de masques, sans effets thermiques ni dommages aux matériaux.

Matt Nipper, directeur de l'ingénierie pour Laser Light Technologies, qui fait désormais partie de l Spectrum Plastics.

Les machines laser modernes sont contrôlées par des logiciels avancés, de la même manière que les machines à commande numérique. Les outils de fabrication laser vont des petits appareils de bureau coûtant quelques milliers de dollars aux machines de taille industrielle coûtant plusieurs millions de dollars.

Les lasers peuvent même être si précis qu'ils sont maintenant utilisés pour enlever l'isolation des fils.

"L'isolation peut être enlevée avec une tolérance de 0,005 pouce. Le dénudage peut être programmé pour ablater l'isolant à n'importe quel point du fil, ce qui permet des enlèvements de haute précision à mi-parcours".

Matt Nipper, directeur de l'ingénierie pour Laser Light Technologies, qui fait désormais partie de l Spectrum Plastics.

 Impression 3D

De nombreuses imprimantes 3D utilisent un laser pour faire fondre le plastique ou le métal utilisé pour former le produit final imprimé en 3D. Il s'agit notamment la fusion sur lit laser, une technique qui pourrait devenir encore plus précise et plus puissante grâce à l'utilisation d'un faisceau laser en forme d'anneau.

Source : Revue internationale des machines-outils et de la fabrication

Deux lasers à la fois pourraient également devenir une configuration standard pour accélérer le processus de fabrication additive.

Dans l'ensemble, l'impression 3D prend une part de plus en plus importante dans les processus de fabrication, comme indiqué dans "L'impression 3D s'impose comme l'avenir de la fabrication"On peut donc s'attendre à ce que la demande de lasers augmente également.

Utilisations médicales

La lumière intense des lasers peut être utilisée pour créer une accélération laser-plasma, accélérant des particules comme les protons et les électrons à des niveaux d'énergie extrêmes. Ils peuvent être utilisés pour la radiothérapie, les lasers permettant de créer des machines suffisamment petites pour être installées dans un hôpital, contrairement aux accélérateurs de particules qui sont beaucoup plus grands et encombrants.

Les lasers ultra-rapides sont également utilisés pour la chirurgie oculaire, de la chirurgie LASIK qui supprime le besoin de lunettes à la photocoagulation pour traiter la rétinopathie diabétique (maladies de la rétine).

Source : Prix Nobel

Les lasers peuvent être utilisés pour le traitement de la peau, de la couche supérieure aux vaisseaux sanguins plus profonds, en fonction de la longueur d'onde utilisée.

Source : Laser Focus World

Enfin, les lasers ont des applications pour les traitements cosmétiques, de l'épilation et du tatouage au rajeunissement de la peau, en passant par l'élimination des cicatrices d'acné et des taches pigmentaires (par exemple, les taches de vieillesse et les grains de beauté).

Stockage des données

Depuis plusieurs décennies, les lasers sont utilisés pour encoder des données dans des disques optiques. Des lasers plus puissants et de plus petite longueur d'onde permettent de stocker les données de manière plus dense, d'où le passage au laser à LED bleues pour le Blu-Ray.

Cependant, il devient clair que les disques optiques ne sont pas une forme durable de stockage de données.

De nombreuses méthodes utilisant des lasers sont aujourd'hui envisagées, telles que gravure à faible puissance sur polymères, d'autres formes de stockage mécanique de données, gravure de diamantsou Disques de cristal 5D.

Source : Université de Southampton

Quoi qu'il en soit, la capacité des lasers à être aussi précis que les nanomètres de leur longueur d'onde lumineuse les rend susceptibles de rester une méthode privilégiée d'enregistrement des données, en particulier pour le stockage à long terme.

Gravure de semi-conducteurs

Depuis l'origine de l'industrie, les fabricants de semi-conducteurs utilisent des lasers pour préparer le matériau utilisé pour créer les puces électroniques.

L'un des principaux avantages est que la découpe et la gravure au laser ne nécessitent aucun contact et produisent moins de poussière que les autres solutions, ce qui constitue un avantage important pour les matériaux nécessitant le plus haut niveau de propreté. La découpe au laser gaspille également moins de matériau et ne crée pas de fissures.

Les lasers sont utilisés pour le soudage, l'enlèvement des revêtements et le marquage des matériaux et équipements semi-conducteurs.

Informatique

Les puces de silicium classiques devenant presque aussi petites que possible, de nouvelles formes d'informatique sont envisagées pour continuer à augmenter la puissance de nos ordinateurs et de nos centres de données.

L'une d'entre elles est la photonique, qui utilise la lumière au lieu des électrons pour transporter les données informatiques. La méthode utilise de nombreux lasers ultra-rapides, ainsi que des capteurs de lumière et des fibres optiques pour remplacer les transistors en silicium et pourrait être un moyen de maintenir la loi de Moore en vie..

Une autre option est celle des ordinateurs quantiques, qui utilisent les effets quantiques pour effectuer des calculs normalement impossibles pour des ordinateurs normaux. Les lasers pourraient également être utiles dans ce domaine, de lasers infrarouges pour manipuler les atomes d'hydrogène à l'utilisation lasers pour magnétiser des substances non magnétiques.

Télécommunications

Outre les semi-conducteurs et l'informatique, les lasers sont utilisés depuis des décennies pour transmettre des informations.

Les diodes laser peuvent produire une lumière cohérente à une fréquence étroite, ce qui permet d'envoyer plusieurs canaux d'information par l'intermédiaire d'un seul câble à fibre optique. Elles sont principalement utilisées pour les télécommunications à longue distance et sont fabriquées à partir de points quantiques.

Les lasers peuvent également être utilisés pour les télécommunications spatiales, soit entre les satellites, soit entre les satellites et les stations terrestres.

Le principal avantage des communications laser par rapport aux ondes radio est l'augmentation de la bande passante, ce qui permet de transférer plus de données en moins de temps. Une autre qualité est que Les télécommunications par laser sont pratiquement impossibles à intercepter, car il faudrait pour cela que le destinataire soit physiquement à côté du récepteur..

Par exemple, Les satellites de Starlink sont tous contenir 3 liens laser Intersatellites (ISL) fonctionnant à 200 Gbps (GigaBytes par seconde) pour se transmettre des données avant de les retransmettre aux stations Starlink.

À l'avenir, toute télécommunication spatiale avec des bases lunaires ou martiennes potentielles utilisera très probablement le laser, qui offre à la fois le transfert de données le plus rapide et la bande passante la plus large possible.

Biotechnologie

Fluorescence

Une application souvent oubliée des lasers est la biotechnologie. La première méthode était Fluorescence induite par laser (LIF)Il s'agit d'une technique qui consiste à utiliser un laser pour que des tissus ou des molécules biologiques émettent une lumière verte ou rouge, ce qui permet de les observer dans un microscope à fluorescence.

Source : MicroscopieU

Les lasers sont utilisés dans les cytomètres de flux pour séparer les cellules d'un échantillon et.

Un sous-segment important de cette technique est la spectroscopie LIF, utilisée en chromatographie et en électrophorèse capillaire, deux techniques très importantes en biochimie pour l'analyse des molécules biologiques.

Séquençage génétique et médecine

Le séquençage génétique est une autre application biotechnologique de plus en plus importante du laser.

Source : Université Memorial

L'amélioration de la technologie laser et la baisse des coûts ont été des facteurs clés de la généralisation du séquençage génétique et de sa mise à la disposition des chercheurs et des spécialistes médicaux.

Les lasers sont utilisés pour détection du cancer et analyse des cellules cancéreuses et peut également être utilisé pour découper de fines tranches de tissu en vue d'une analyse plus approfondie.

Capteurs et véhicules à conduite autonome.

Les lasers peuvent être utilisés pour mesurer l'environnement qui les entoure. Ils peuvent être utilisés pour positionner des lasers dans des usines, mesurer la distance ou la présence d'un obstacle.

Des systèmes complexes de ces lasers sont utilisés dans les systèmes LIDAR (Light Detection and Ranging), qui utilisent des impulsions de lumière laser pour mesurer la distance des objets environnants. Les systèmes LIDAR sont couramment utilisés pour la cartographie.

Les LIDAR sont un élément clé de la plupart des systèmes de conduite autonome (à l'exception de Telsa qui s'appuie uniquement sur des caméras). Waymo de Google (GOOGL +2.44%).

Arme à énergie directe

Les drones constituant une menace croissante sur les champs de bataille modernes, les armées du monde entier recherchent des solutions peu coûteuses pour les abattre.

Cela est d'autant plus important que la plupart des drones suicides ne coûtent que quelques milliers de dollars au maximum, ce qui rend toute solution de base de missiles ou même d'armes à feu souvent plus coûteuse que la cible.

Une solution pourrait être les armes à base de laser, une sous-catégorie d'armes à énergie directe (qui comprend également les faisceaux de micro-ondes, par exemple). L'idée est d'utiliser un puissant rayon laser pour brûler le drone avant qu'il ne devienne une menace.

Source : Laser Focus World

Comme le coût des "munitions" ne serait que le coût de l'énergie, il pourrait s'agir de l'une des seules options viables à long terme. L'idée est cependant encore loin d'être mûre, et il reste quelques problèmes à résoudre avant de la déployer sur les champs de bataille actifs :

• Les armes laser peuvent être gênées par le brouillard.
• La consommation d'énergie est massive, ce qui rend problématique à la fois sa production et son stockage pour une utilisation rapide.
• Les lasers ont tendance à être des appareils relativement fragiles, ce qui les rend peu fiables dans un rôle de première ligne.

Il est très probable que la première application à grande échelle de l'armement basé sur le laser concernera les installations fixes telles que les bases militaires et les navires.

Fusion nucléaire

Actuellement, la stratégie dominante pour réaliser la fusion nucléaire consiste à utiliser des tokamaks, des structures en forme de beignet utilisant des champs magnétiques pour contenir le plasma.

Comme nous l'avons expliqué dans "Fusion nucléaire - L'ultime solution en matière d'énergie propre à l'horizon"Cette méthode n'est cependant pas la seule possible pour parvenir à la fusion nucléaire. Une autre option consiste à utiliser des lasers pour essayer de rendre les atomes d'hydrogène si chauds qu'ils entrent en collision les uns avec les autres, ce qui crée instantanément des ondes de choc, poussant les atomes d'hydrogène les uns contre les autres.

Un bon exemple est le Installation nationale d'allumage des États-Unis (NIF)qui guide, amplifie, réfléchit et concentre 192 puissants faisceaux laser dans une cible de la taille d'une gomme à crayon. Cela permet d'obtenir une puissance de pointe de 500 billions de watts en un seul point.

Source : Britannica

Ces systèmes sont de bons candidats pour une éventuelle fusion nucléaire commerciale et pourraient également être utiles pour la propulsion par fusion pulsée des vaisseaux spatiaux de l'espace lointain.

Applications spatiales

Astrophysique

L'astrophysique traite souvent de conditions extrêmes de pression et de température, difficiles à reproduire sur Terre. Par exemple, le contenu des étoiles ou des planètes géantes gazeuses.

Lasers à électrons libres à rayons X (XFEL) peut contribuer à l'étude de ces Matière dense et chaude (MDT)qui, à leur tour, pourraient contribuer à la création de meilleurs engins spatiaux et de moteurs à fusion nucléaire.

Orbite solaire

Le solaire orbital est une possibilité croissante de production d'énergie propre. En effet, le coût du lancement d'un système énergétique en orbite diminue très rapidement, ce qui rend viable l'idée de transporter des milliers de tonnes de marchandises en orbite ou de fabriquer des produits dans l'espace.

Comme nous l'avons exploré dans "Solutions énergétiques basées dans l'espace pour une énergie propre inépuisable"L'énergie générée pourrait être renvoyée sur Terre à l'aide de faisceaux de micro-ondes ou de lasers puissants.

Voile solaire

Les voiles solaires constituent une autre possibilité d'utilisation des lasers dans l'espace. L'idée principale est que les photons n'ont pas de masse, mais qu'ils ont toujours une quantité de mouvement minuscule.

Dans l'apesanteur de l'espace lointain, cette petite poussée peut suffire à accélérer un vaisseau spatial.

Une voile solaire serait une grande voile faite d'une feuille d'aluminium capable de capter la lumière et de la transformer en propulsion. Des systèmes laser orbitaux ou basés sur la Lune pourraient projeter plus de lumière sur un tel système et lui permettre d'accélérer à des vitesses inaccessibles avec des fusées chimiques.

Source : For All Mankind TV

Cette méthode pourrait même être utilisée pour les voyages interstellaires, car elle pourrait théoriquement pousser un vaisseau spatial jusqu'à 20% de la vitesse de la lumière en utilisant la physique connue.

Investir dans la technologie laser

Les lasers sont présents dans d'innombrables éléments de la technologie moderne, des disques optiques aux outils chirurgicaux, en passant par l'impression 3D, les semi-conducteurs, la fabrication et les séquenceurs de génome, avec un marché de $17,8 milliards d'euros qui devrait croître de 7,8% jusqu'en 2030.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées au laser par l'intermédiaire de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.ioNos recommandations pour les meilleurs courtiers en les États-Unis, Canada, Australie, le Royaume-Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Si vous n'êtes pas intéressé par la sélection d'entreprises spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF technologiques tels que iShares U.S. Technology ETF (IYW) ou  ProShares Nanotechnology ETF (TINY) même s'il n'existe pas d'ETF dédié au laser, qui offrira une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur les actions des nanotechnologies et de la technologie.

Vous pouvez également découvrez comment investir dans le gallium dans notre rapport dédiéLe gallium étant un élément clé pour la fabrication des lasers, il est actuellement au centre de la guerre commerciale entre les États-Unis et la Chine.

Société Laser

II-VI Marlow / Cohérent

Coherent est un grand conglomérat industriel de plus de 26 000 employés, leader dans le domaine de la technologie laser, qui résulte de la fusion de la société de matériaux avancés II-VI Marlow avec le fabricant de lasers Coherent.

L'entreprise est experte en matériaux avancés utilisés dans les lasers, l'optique et la photonique, tels que le phosphure d'indium, les plaquettes épitaxiales et l'arséniure de gallium. Elle s'est développée en grande partie grâce à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie.

Source : Cohérent

L'entreprise tire 29% de ses revenus directement du laser, le reste étant lié aux équipements associés tels que la fibre optique et l'électronique. La catégorie de l'instrumentation comprend principalement les sciences de la vie et les applications médicales.

Source : Cohérent

La présence de l'entreprise dans les matériaux avancés tels que les thermophotovoltaïques (qui sont les plus utilisés dans l'industrie de l'énergie) a été renforcée. dont nous avons parlé dans un article précédent), le carbure de silicium, les lasers et l'électronique lui permet de bénéficier de tendances structurelles telles que la croissance de la fabrication de précision, de la fabrication additive (impression 3D), de l'électrification et des énergies renouvelables.

La société a récemment séparé son activité de carbure de silicium en une nouvelle entité, détenue à 75% par Coherent, le reste étant détenu à parts égales par ses partenaires Mitsubishi Electric (qui apporte la propriété intellectuelle du carbure de silicium pour l'alimentation électrique) et Denso (qui apporte son activité d'équipementier automobile pour l'électrification et les semi-conducteurs d'alimentation).

En effet, le carbure de silicium est de plus en plus une technologie à part entière, principalement utilisée dans des applications à haute puissance telles que les véhicules électriques, les batteries et les énergies renouvelables.

Cohérent est un leader dans le domaine du LIDAR et de la détection numérique en 3D, y compris pour les applications de conduite autonomeBiotechnologie, biotechnologie Cellules à flux pour le séquençage de prochaine génération (NGS)et lasers pour la fabrication de semi-conducteurs. Elle s'attend à ce que ses marchés de l'électricité augmentent de 8 à 20%.

Source : Cohérent

Les autres nouvelles applications potentielles des lasers, telles que les armes à énergie directe, l'informatique photonique, la fusion nucléaire et la technologie spatiale, pourraient également contribuer à soutenir la croissance à long terme de l'entreprise.

Dans l'ensemble, Coherent est aussi proche qu'il est possible de l'être d'une société de laser "pure play" cotée en bourse pour les investisseurs intéressés par le secteur, avec une forte intégration verticale et plus de 3 100 brevets protégeant ses innovations.