Les lasers comme technologie centrale du monde moderne et du futur

Potentiel des lasers

Since the first laser was built in 1960, and les scientifiques à l’origine de la physique qui le rendait possible ont reçu le Prix Nobel de physique en 1964, the technology has continued to find new applications.  Lasers are commonly used for:

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

En s’appuyant sur cela, le futur proche pourrait même les voir devenir essentiels dans les processus de fabrication (soudure, impression 3D), les télécommunications par satellite, la propulsion de vaisseaux spatiaux, la biotechnologie, l’informatique (photonique), la fusion nucléaire, et même les armes.

Principes des lasers

Laser est un acronyme signifiant Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. L’idée clé derrière la technologie laser est de produire de la lumière « cohérente » au lieu de la lumière ordinaire.

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

Source: Britannica

La façon de créer un laser consiste à stimuler les atomes de l’émetteur, généralement sous forme de gaz mais pouvant aussi être liquide ou solide, 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 forme de faisceau cohérent.

Source: University of Kwazulu-Natali

Les lasers peuvent être fabriqués pour une grande variété de longueurs d’onde lumineuses, chacune utilisant son propre matériau pour produire la lumière, ce qui modifie leur fonctionnement. Différentes longueurs d’onde transporteront différents niveaux d’énergie et seront absorbées différemment selon le matériau ciblé.

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

Source: University of Kwazulu-Natali

(Les lecteurs intéressés par les principes scientifiques derrière le laser peuvent lire « Principles of Laser » pour en savoir plus).

Amélioration de la technologie laser

Au fil des années, les lasers se sont considérablement améliorés. De nouveaux matériaux ont augmenté les longueurs d’onde disponibles, avec le CO₂, le rubis, le titane-saphir, et les lasers à points quantiques (le Prix Nobel de physique en 2023).

Cela a ouvert la possibilité de lasers à impulsions ultra-courtes, ainsi que des lasers réglés finement pour des applications spécifiques dans la fabrication et la médecine.

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

Source: Laser Warfare

De nouvelles formes de lasers pourraient également être à l’horizon, par exemple, « lasers en air libre », qui pourraient être plus robustes et plus légers.

Applications des lasers

Observations à des temps infinitésimaux

L’une des applications des impulsions laser ultra-courtes est d’« illuminer » une cible très brièvement, à l’échelle de la femtoseconde, un millionième d’un milliardième de seconde.

Cela rend possible l’observation de phénomènes tels que les réactions chimiques moléculaires, auparavant perçues comme instantanées.

Source: Nobel Prize

Des progrès supplémentaires ouvrent même tout un nouveau domaine scientifique, la science attoseconde (1/1000^th d’une femtoseconde). Grâce à cela, les scientifiques peuvent étudier la dynamique électronique à l’intérieur des atomes et des molécules, et la matière à l’état condensé pourrait être sondée.

Gravure et fabrication

Les lasers peuvent être utilisés pour sculpter les matériaux avec une grande précision. Cependant, le problème est qu’une utilisation prolongée du laser crée un chauffage rapide du matériau, générant des ondes de choc dommageables. Pour les lasers puissants ou les matériaux nécessitant aucune imperfection, cela était un problème.

Les lasers femtosecond améliorés effectuent toujours la sculpture mais sont suffisamment courts pour ne pas surchauffer, éliminant ainsi ce problème.

Source: Nobel Prize

Aujourd’hui, les lasers sont couramment utilisés pour percer, couper, 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 qu’avec le perçage laser.

Des caractéristiques très petites et complexes peuvent être produites dans une variété de matériaux avec des méthodes telles que l’écriture directe, le trépanage et la projection de masque, sans effets de chaleur ni dommages matériels. »

Matt Nipper, directeur de l’ingénierie pour Laser Light Technologies, maintenant Spectrum Plastics.

Les machines laser modernes sont contrôlées par des logiciels avancés de la même manière que les machines CNC. Les outils de fabrication laser vont des petits appareils de bureau coûtant quelques milliers de dollars aux machines d’usine 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 retirée avec une tolérance de 0,005 pouce. Le décapage peut être programmé pour ablater l’isolation à n’importe quel point le long du fil, permettant des enlèvements de mi‑section à haute précision. »

Matt Nipper, directeur de l’ingénierie pour Laser Light Technologies, maintenant partie de 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. Cela inclut la fusion sur lit laser, une technique qui pourrait devenir encore plus précise et puissante en utilisant un faisceau laser en forme d’anneau.

Source: International Journal of Machine Tools and Manufacture

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

Dans l’ensemble, à mesure que l’impression 3D devient une partie de plus en plus importante des processus de fabrication, comme discuté dans « 3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing », nous pouvons nous attendre à ce que la demande de lasers augmente proportionnellement.

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. Elles peuvent être utilisées pour la radiothérapie, les lasers permettant des machines suffisamment petites pour tenir 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: Nobel Prize

Les lasers peuvent être utilisés pour le traitement de la peau, allant de l’action sur la couche supérieure à celle des vaisseaux sanguins plus profonds, selon la longueur d’onde utilisée.

Source: Laser Focus World

Enfin, les lasers ont des applications pour les traitements cosmétiques, du retrait des poils et des tatouages à la régénération de la peau, en passant par l’élimination des cicatrices d’acné et des taches pigmentées (par ex., les taches de vieillesse et les grains de beauté).

Stockage de données

Les lasers sont utilisés pour encoder des données sur des disques optiques depuis plusieurs décennies. Des lasers à longueur d’onde plus courte et plus puissante permettent de stocker les données plus densément, d’où le passage au laser à diode bleue pour le Blu‑Ray.

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

De nombreuses méthodes utilisant les lasers sont désormais envisagées, comme la gravure à faible puissance sur des polymères, d’autres formes de stockage mécanique, la gravure de diamants, ou des disques cristallins 5D.

Source: University of Southampton

Dans tous les cas, la capacité des lasers à être aussi précis que les nanomètres de leur longueur d’onde les rend susceptibles de rester une méthode privilégiée d’enregistrement de données, en particulier pour le stockage à long terme.

Gravure de semi-conducteurs

Depuis la création de l’industrie, les fabricants de semi-conducteurs utilisent les lasers pour préparer le matériau utilisé à la fabrication des puces informatiques.

Un avantage clé est que la découpe et la gravure laser ne nécessitent aucun contact et produisent moins de poussière que les alternatives, un avantage important pour les matériaux nécessitant le plus haut niveau de propreté. La découpe laser gaspille également moins de matériau et ne crée pas de fissures.

Les lasers sont utilisés pour réaliser le soudage, le retrait de revêtements et le marquage du matériau et des équipements de semi-conducteurs.

Informatique

Alors que les puces en silicium classiques atteignent presque leurs limites de miniaturisation, de nouvelles formes d’informatique sont envisagées pour continuer à augmenter la puissance de nos ordinateurs et centres de données.

L’une d’elles est la photonique, qui utilise la lumière au lieu des électrons pour transporter les données de calcul. La méthode utilise de nombreux lasers ultra‑rapides, ainsi que des capteurs lumineux et des fibres optiques pour remplacer les transistors en silicium et pourrait être une façon de maintenir la loi de Moore vivante.

Une autre option est l’informatique quantique, qui utilise les effets quantiques pour effectuer des calculs normalement impossibles pour les ordinateurs classiques. Les lasers pourraient également aider ici, depuis les lasers infrarouges pour manipuler les atomes d’hydrogène à l’utilisation de lasers pour magnétiser des substances non magnétiques.

Télécom

En plus des semi-conducteurs et de l’informatique, les lasers sont utilisés depuis des décennies pour transmettre des informations.

Les diodes laser peuvent produire une lumière cohérente avec une fréquence étroite, permettant d’envoyer plusieurs canaux d’information à travers une seule fibre optique. Elles sont principalement utilisées pour les télécommunications longue distance et sont fabriquées à l’aide de points quantiques.

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

L’avantage principal de l’utilisation des communications laser par rapport aux ondes radio est une bande passante accrue, permettant le transfert de plus de données en moins de temps. Une autre qualité est que les communications laser sont presque impossibles à intercepter, car cela nécessiterait d’être physiquement à côté du récepteur.

Par exemple, les satellites Starlink chaque contiennent 3 liaisons inter-satellites laser (ISLs) (opérant à 200 Gbps (GigaBytes per Second)) pour transmettre des données entre eux avant de les renvoyer aux stations Starlink.

À l’avenir, toute télécommunication spatiale avec d’éventuelles bases lunaires ou martiennes utilisera très probablement le laser, car il offre à la fois le transfert de données le plus rapide possible et la bande passante la plus élevée.

Biotechnologie

Fluorescence

Une application souvent oubliée des lasers est en biotechnologie. La méthode initiale était Laser Induced Fluorescence (LIF), où un laser est utilisé pour faire émettre des tissus biologiques ou des molécules en lumière verte ou rouge, permettant leur observation au microscope à fluorescence.

Source: MicroscopyU

Les lasers sont utilisés dans les cytomètres à flux pour séparer les cellules dans un échantillon également.

Une sous‑section importante 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

Une autre application biotechnologique de plus en plus importante du laser est le séquençage génétique.

Source: Memorial University

Les améliorations de la technologie laser et la baisse des coûts ont été des facteurs clés pour rendre le séquençage génétique plus généralisé et accessible aux chercheurs et aux spécialistes médicaux.

Les lasers sont utilisés pour la détection du cancer et l’analyse des cellules cancéreuses et peuvent également être employés pour couper de fines tranches de tissu pour une analyse plus approfondie.

Capteurs et véhicules autonomes

Les lasers peuvent être utilisés pour mesurer l’environnement qui les entoure. Ils peuvent servir à positionner des lasers dans les usines, mesurer des distances ou détecter la présence d’un obstacle.

Des systèmes complexes de tels lasers sont utilisés dans le LIDAR (Light Detection and Ranging), qui utilise des impulsions de lumière laser pour mesurer la distance des objets autour. Les systèmes LIDAR sont couramment utilisés pour la cartographie.

Les LIDAR sont un composant clé de la plupart des systèmes de véhicules autonomes (à l’exception de la dépendance de Tesla aux seules caméras), y compris Waymo de Google (GOOGL ).

Arme à énergie directe

Alors que les drones deviennent une menace croissante sur les champs de bataille modernes, les armées du monde entier recherchent des solutions à faible coût pour les abattre.

Cela est particulièrement important car la plupart des drones suicides coûtent seulement quelques milliers de dollars au maximum, rendant toute solution de missile ou même d’arme à feu souvent plus chère que la cible.

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

Source: Laser Focus World

Comme le coût des « munitions » serait uniquement le coût de l’énergie, cela pourrait être l’une des seules options viables à long terme. L’idée est, cependant, encore loin d’être mature, avec quelques problèmes à résoudre avant le déploiement sur les champs de bataille actifs:

• Les armes laser peuvent être gênées par le temps brumeux.
• La consommation d’énergie est massive, rendant à la fois sa génération et son stockage pour le tir rapide problématiques.
• Les lasers ont tendance à être des appareils relativement fragiles, les rendant peu fiables en rôle de première ligne.

Il est fort probable que la première application à grande échelle des armes à base de laser sera pour des installations fixes comme les bases militaires et les navires.

Fusion nucléaire

Actuellement, la stratégie dominante pour atteindre la fusion nucléaire est d’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 – La solution d’énergie propre ultime à l’horizon », ce n’est toutefois pas la seule méthode possible pour atteindre 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, ce qui crée instantanément des ondes de choc, poussant les atomes d’hydrogène ensemble.

Un bon exemple est le National Ignition Facility (NIF) des États‑Unis, qui dirige, amplifie, reflète et focalise 192 puissants faisceaux laser sur une cible de la taille d’une gomme à crayon. Cela délivre 500 trillions de watts de puissance de pointe en un point.

Source: Britannica

De tels systèmes sont de bons candidats pour une fusion nucléaire commerciale potentielle, et pourraient également être utiles pour la propulsion à fusion pulsée pour les vaisseaux spatiaux de longue distance.

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.

Les lasers à rayons X à électrons libres (XFEL) peuvent aider à étudier ces Matières Denses Chaudes (WDM), ce qui pourrait à son tour aider à créer de meilleurs engins spatiaux et moteurs de fusion nucléaire.

Solaire orbital

Une possibilité croissante pour la génération d’énergie propre est le solaire orbital. Cela est dû au fait que le coût du lancement d’un système d’énergie en orbite diminue très rapidement, rendant viable l’idée de placer des milliers de tonnes de cargaison en orbite ou la fabrication spatiale.

Comme nous l’avons exploré dans « Solutions énergétiques spatiales pour une énergie propre infinie », l’énergie générée pourrait être renvoyée vers la Terre à l’aide de faisceaux micro‑ondes ou de lasers puissants.

Voile solaire

Une autre possibilité future basée sur les lasers dans l’espace est le voile solaire. L’idée clé est que bien que les photons soient sans masse, ils portent tout de même une minuscule impulsion.

Dans l’environnement sans poids de l’espace profond, cette petite poussée peut suffire à accélérer un vaisseau spatial.

Un voile solaire serait une grande voile en feuille capable de capter la lumière et de la transformer en propulsion. Des systèmes laser orbitaux ou lunaires pourraient projeter plus de lumière sur un tel système et le faire accélérer à des vitesses inaccessibles avec la propulsion chimique.

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 parties 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 de dollars prévu de croître de 7,8 % CAGR jusqu’en 2030.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées aux lasers via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, et de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par le choix 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 uniquement aux lasers, ce qui offrira une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur les actions nanotechnologiques et technologiques.

Vous pouvez également apprendre comment investir dans le gallium dans notre rapport dédié, le gallium étant un élément clé pour la fabrication des lasers, actuellement au cœur de la guerre commerciale États‑Unis‑Chine.

Entreprise de lasers

II-VI Marlow / Coherent

Coherent est un grand conglomérat industriel avec plus de 26 000 employés et un leader dans la technologie laser, résultant de la fusion du matériau avancé 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 wafers épitaxiaux et l’arséniure de gallium. Elle a connu une forte croissance grâce à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie.

Source: Coherent

L’entreprise tire 29 % de ses revenus directement des lasers, le reste étant lié à des équipements associés tels que les fibres optiques et l’électronique. La catégorie instrumentation comprend principalement les sciences de la vie et les applications médicales.

Source: Coherent

La présence de l’entreprise dans les matériaux avancés tels que les thermophotovoltaïques (dont nous avons parlé dans un article précédent), le carbure de silicium, les lasers et l’électronique l’aide à profiter des tendances structurelles comme la croissance de la fabrication de précision, la fabrication additive (impression 3D), l’électrification et les énergies renouvelables.

L’entreprise a récemment séparé son activité de carbure de silicium en une nouvelle entité, détenue à 75 % par Coherent, le reste étant partagé également entre ses partenaires Mitsubishi Electric (apportant la propriété intellectuelle du carbure de silicium) et Denso (apportant son activité de fournisseur automobile dans l’électrification et les semi-conducteurs de puissance).

Cela s’explique par le fait que le carbure de silicium devient de plus en plus une technologie autonome, principalement utilisée dans les applications à haute puissance comme les véhicules électriques, les batteries et les énergies renouvelables.

Coherent est un leader dans le LIDAR et la détection numérique 3D, y compris pour les applications de conduite autonome, biotechnologie Next Generation Sequencing (NGS) Flow Cells, et les lasers pour la fabrication de semi-conducteurs. Elle prévoit que ses principaux marchés croîtront de 8 à 20 %.

Source: Coherent

Les autres nouvelles applications potentielles des lasers, telles que les armes à énergie directe, l’informatique photonique, la fusion nucléaire et les technologies spatiales, pourraient toutes contribuer à soutenir la croissance à long terme de l’entreprise.

Dans l’ensemble, Coherent est aussi proche qu’une société cotée en bourse « pure play » de lasers pour les investisseurs intéressés par le secteur, avec une forte intégration verticale et plus de 3 100 brevets protégeant ses innovations.