Rencontre avec le prix Nobel de physique 2018, Gérard Mourou

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Le 16 octobre dernier l’École polytechnique organisait une visite de plusieurs de ses laboratoires à l’intention des journalistes. Avec pour point d’orgue une rencontre avec le nouveau prix Nobel de physique 2018, qui a bien voulu répondre à nos questions.

- Pouvez-vous pour commencer par rappeler l’enjeu de vos recherches sur le laser ?

En préambule, il faut avoir à l’esprit que le laser est un système photonique à même de produire un rayonnement lumineux cohérent. C’est du moins le cas des lasers dits continus – au sens où leurs oscillations sont stables, toujours les mêmes et ce, sur de très longues distances (les meilleurs lasers ont une largeur de raie de 10 mHz, soit une longueur de cohérence de 30 millions de km). Des caractéristiques qui ont permis à ce type de laser de connaître de nombreuses applications comme, par exemple, la conception d’horloges de haute précision pour les ordinateurs.
Mes travaux ont porté sur une autre catégorie de lasers, ayant des propriétés particulières : à la différence des premiers, ils sont particulièrement brefs. Ils se manifestent en quelques oscillations, de l’ordre d’une dizaine de périodes et d’un millionième de milliardième de seconde, pour une distance parcourue qui se mesure en microns. On les appelle les lasers impulsionnels.

- Quel intérêt présentent-ils ?

Plusieurs. Le principal tient au fait qu’il suffit d’amplifier faiblement leur énergie pour qu’ils gagnent en puissance et ce, de manière extrêmement efficace. Rappelons en effet que la puissance résulte du rapport entre l’énergie et le temps. Le temps de ces lasers étant extraordinairement brefs, il suffit donc de mettre un peu plus d’énergie, pour parvenir à des gains de puissance considérables.
Mes travaux, menés avec la co-lauréate du prix Nobel de physique 2018, Donna Strickland, ont donc cherché à augmenter cette puissance. Des chercheurs s’y étaient employés avant nous et ce, dès l’invention du laser. Leurs tentatives ont échoué : la puissance était si élevée, la surintensité telle que cela provoquait la destruction du cristal amplificateur et faisait perdre au laser ses caractéristiques.

- En quoi a donc consisté votre solution ?

Nous avons eu l’idée de mettre au point une technique d’amplification des lasers dénommée « Chirped Pulse Amplification» (CPA, en français : amplification à dérive de fréquence). Nous en avons décrit les principes dans un article paru en 1985, il y a donc plus de trente ans. Rappelons-en juste ici le principal élément, à savoir : étaler temporellement une impulsion ultracourte à l’aide d’un réseau optique de façon à diminuer son intensité instantanée avant de l’amplifier. L’impulsion est ensuite recomprimée pour atteindre des intensités qu’une amplification classique ne permettrait pas d’atteindre. Cette technique, le CPA, permet de créer des impulsions laser ultracourtes (quelques dizaines de femto-secondes ; pour mémoire 1 fs = 10-15 s), et de très haute puissance (de l’ordre du pétawatt ; 1 PW = 1015 W) ou de très haute cadence (kHz). Elle aura ainsi permis de faire s’envoler la puissance des lasers vers des niveaux inconnus jusqu’alors.

- Quel défi majeur avez-vous dû relever ?

Une fois que la quantité nouvelle d’énergie est extraite, on doit recomprimer l’impulsion. Seulement, la compression n’était pas équivalente à l’étirement. Pour matcher les deux systèmes, procéder à une compression du même ordre, nous avons eu l’idée de concevoir deux réseaux de diffraction en vis-à-vis. Les possibilités d’étirement n’ont cessé depuis d’augmenter, d’un facteur 10 000, puis 100 000. Nous en sommes maintenant à un facteur d’un million, avec la possibilité de comprimer le laser d’un facteur équivalent. On parvient ainsi à produire des impulsions gigantesques et d’un haut niveau de précision : des impulsions de l’ordre du terawatt ; nous en sommes même aujourd’hui au petawatt, soit mille fois plus.

- Comment s’est opéré le déclic ? Vous souvenez-vous des circonstances où vous avez su résoudre le problème auquel vous vous heurtiez ?

En ce qui me concerne, je me souviens très bien du moment où les choses me sont parues enfin avec évidence : j’étais en vacances, à la montagne, sur une remontée mécanique avec mon épouse. Je l’ai laissée retrouver nos amis tandis que moi, j’ai filé à mon laboratoire. J’y ai retrouvé mes étudiants à qui j’ai dit de stopper les expérimentations en cours, pour appliquer une autre méthode, qui permettait de parvenir à des étirements et compressions rigoureusement complémentaires. Comme quoi, nous avons toujours intérêt à prendre parfois du recul. La simple contemplation du paysage d’une station de ski m’avait incliné à laisser libre cours à mes idées…

- Quelque chose de l’ordre de la sérendipité ! Est-ce d’ailleurs une notion que vous avez faite vôtre ?

Oui, bien sûr. Elle rend bien compte de ce qui se produit dans la recherche : on croit creuser une piste intéressante sur un sujet donné, et on découvre tout autre chose, qui n’est pas moins intéressant. Cela étant dit, dans le cas de nos travaux, c’est à force d’hypothèses et de persévérance, que nous y sommes arrivés.

- A cet instant, anticipez-vous les applications ?

Non, loin de là. On avait l’intuition qu’il y avait des perspectives incroyables, compte tenu des gains de puissance qu’on allait pouvoir obtenir. Restait à savoir lesquelles. A l’époque, nous étions à l’université de Rochester, aux Etats-Unis. Nous avons donc réuni des professeurs et chercheurs pour examiner les applications potentielles. Je regrette de ne pas avoir gardé les transparents (nous n’en étions pas encore au PowerPoint), qui présentaient les pistes imaginées par mes collègues. Sur le moment, ils n’en avaient imaginé pratiquement aucune ! A part des choses évidentes, il n’y avait rien de novateur. On connaît la suite…

- Justement, quelles sont les applications les plus emblématiques à vos yeux ?

La principale concerne l’accélération de particules : grâce aux pressions de radiation qu’on peut obtenir (l’équivalent de 10 millions de Tour Eiffel sur le bout de votre doigt !), on peut produire une l’accélération de particules sur des distances extrêmement faibles, comparé aux accélérateurs classiques. Pour mémoire, celui du Synchrotron Soleil, d’une circonférence d’un km, permet d’obtenir jusqu’à 4 Gev (Giga-électron-Volt). On en obtient autant avec un laser impulsionnel, sur une longueur de quelques centimètres. Dans nos cartons, nous avons même des projets qui permettraient de le faire sur des longueurs encore plus réduites, d’un facteur 1 000 ! Autrement dit, sur quelques dizaines de microns, on pourrait parvenir au TeV (Tera-électron-Volt). Plusieurs démonstrations ont d’ores et déjà été réalisées dans le monde. Grâce à ces impulsions puissantes, focalisées sur de petites surfaces, on peut pratiquement produire n’importe quelle particule à énergie – électrons, protons, ions… Et disposer d’une source énergétique universelle, en somme. Les principes du CPA ont d’ores et déjà trouvé des applications industrielles, à commencer par la découpe laser. Les impulsions étant brèves, la chaleur n’a pas le temps de se propager. On peut ainsi obtenir des découpes absolument parfaites, au dixième de micron près.

- Sans oublier les applications dans le domaine médical…

Oui, la technique CPA a en effet permis des avancées nouvelles notamment dans le domaine de la chirurgie réfractive de l’œil et du traitement de la cataracte. Un champ que nous avons investi grâce à des circonstances fortuites que je ne résiste pas à l’envie de vous rappeler. Un de mes étudiants, qui participait à la construction d’un gros laser, reçut un jour un impact à l’œil. On l’a aussitôt conduit à l’hôpital, craignant pour sa vue. Le chirurgien ophtalmologue qui nous reçut, confirma l’impact, mais à notre grande surprise, il nous demanda de préciser la nature des lasers sur lesquels nous travaillions car, tel fut son diagnostic, « l’endommagement de l’œil était parfait ». Il fallait comprendre que, par chance, il n’avait pas produit d’effets collatéraux. De fait, la rétine présentait un spot d’une grande précision. Cet événement fut le point de départ d’un nouveau champ d’application, qui déboucha sur la construction de systèmes dédiés à la chirurgie de l’œil, y compris le traitement de la cataracte. Aujourd’hui, ce sont des millions de personnes qui sont soignées à travers le monde grâce à une technique laser.

- Vos recherches ayant débouché sur le CPA ont été menées aux Etats-Unis, bien avant votre arrivée à Polytechnique et dans l’écosystème de Paris-Saclay. Quel ont été néanmoins leur rôle dans le développement des applications que vous évoquez ?

Les travaux pour lesquels j’ai été récompensé par le prix Nobel de physique ont été effectivement réalisés aux Etats-Unis, à l’Université de Rochester, dont j’avais rejoint le laboratoire pour l’énergie laser [avant de rejoindre en 1988, le département de génie électrique et informatique de l’Université du Michigan]. Je n’ai rejoint le Laboratoire d’optique appliquée (une UMR ENSTA ParisTech/CNRS/École polytechnique) qu’en 2005 (pour le diriger jusqu’en 2008). Pour autant, l’écosystème de Paris-Saclay n’a pas eu un rôle mineur dans la suite de mes recherches. Au contraire. C’est dans ce contexte que j’ai lancé des projets majeurs : XCAN, à l’École polytechnique ; le laser Apollon sur le Plateau de Saclay, et la grande infrastructure européenne ELI (Extreme Light Infrastructure), qui abritera les lasers les plus puissants au monde en Hongrie, Roumanie et République Tchèque. Paris-Saclay a pour lui de compter plusieurs industriels et plusieurs centres de R&D directement concernés par les lasers. Je me suis en tout cas employé à m’appuyer sur cet écosystème. J’ajoute que je dirige l’IZEST (International Zetta-Exawatt Science and Technology) auquel sont associés plus de 27 laboratoires à travers le monde pour anticiper l’avenir des lasers de haute puissance, et dont les bureaux sont situés à Polytechnique.

- L’entretien se déroule d’ailleurs dans les locaux de Polytechnique, au terme d’une journée de visite de ses laboratoires. En quoi, cela a-t-il été important pour vous de rejoindre cette école ?

J’y suis arrivé en 2005, donc, soit vingt ans après le CPA. L’École comptait cependant déjà beaucoup de chercheurs qui s’intéressaient aux lasers, et de nombreux équipements et laboratoires : le LULI et le LOA, par exemple, qui avaient construit leur laser CPA. C’est dire si je me sentais dans mon élément.

- Pour faire de la recherche fondamentale, vous n’en faites pas moins de la recherche appliquée. Qu’est-ce qui vous a prédisposé au dialogue avec des industriels ?

Sans doute y ai-je été acculturé au cours de mes années passées aux Etats-Unis où les interactions entre le monde académique et le monde industriel sont quelque chose de naturel. C’est de fait indispensable. Si l’on veut que les programmes de recherche soient financés, il importe qu’ils débouchent sur des applications industrielles. Cette volonté d’ouverture a toujours été motrice dans ma démarche de chercheur. Au sein de l’Université du Michigan, j’ai eu, au tout début des années 90, la possibilité de transformer un laboratoire de physique que j’avais dirigé en un centre de recherche pour les sciences optiques ultrarapides de façon, justement, à interagir davantage avec le monde médical. Un projet que j’ai pu financer pendant une longue durée grâce au concours de la National Science Foundation (NSF). C’est dans le cadre de ce centre, que nous avons découvert les applications en matière de chirurgie de l’œil. Nous avons également conçu un système de micro-machining et ce, au travers d’une société commerciale. Ce système devait connaître un succès foudroyant : il a été commercialisé à des milliers d’unités dans le monde. En une journée, nous en avions vendu pour 50 millions de dollars, soit l’équivalent de ce que la NSF avait versé pour financer la transformation de notre laboratoire. A tel point que son directeur avait, lors de son audition au Congrès, cité les applications de notre centre de recherche comme exemple, pour justifier les subventions qu’il demandait.
Tout cela pour dire, que les équipements de recherche ne sont pas qu’affaire de coûts. Ce sont aussi et peut-être d’abord un investissement, qui peut avoir des retombées économiques pour les industriels et le pays dans son ensemble. Malheureusement, en France, on a encore trop tendance à ne considérer la recherche qu’en termes de coûts. On insiste moins sur ce qu’elle peut rapporter à nos industriels et, donc, au pays.

- Le contexte a-t-il changé ?

Pas suffisamment, au point d’ailleurs qu’en 2017, j’ai fait faire une étude sur les retombées des investissements dans les trois infrastructures ELI.

- Qu’en ressort-il ?

Que les investissements consentis – de l’ordre d’une centaine de millions d’euros – ont eu des retombées qui ont bénéficié à treize pays. A eux seuls, les industriels français en ont retiré entre 120-130 millions d’euros. Les mêmes objections n’en continuent pas moins à être encore adressées au projet Apollon. C’est cher, entend-on dire. Certes, mais c’est un investissement qui va se traduire par d’importantes retombées pour nos industriels ! Cependant, depuis que j’ai obtenu le prix Nobel, j’ai bon espoir d’être un peu plus entendu ! (Rire).
L’enjeu est majeur : il est de convaincre qu’il n’y a pas d’un côté la recherche, de l’autre le monde économique. Ces deux mondes sont interdépendants. Des investissements dans la recherche, fondamentale et appliquée, peuvent avoir des retombées en termes de création d’emplois. Malheureusement, on ne souligne pas assez ce continuum. On en est encore à croire que la recherche est un monde à part. Certes, la France, ne dispose pas des mêmes capacités de financement que les Etats-Unis. Mais pour peu qu’on se montre un peu habile, on peut trouver de quoi financer les infrastructures dont on a besoin, d’autant plus qu’on saura en évaluer le potentiel en termes de retombées économiques.

- A travers cette vision d’une recherche interagissant avec le monde industriel, y a-t-il une défense et illustration du principe du cluster ?

Oui, parfaitement. Etant entendu que l’on ne sait pas par avance les ingrédients qu’il faut réunir pour susciter des synergies et une dynamique d’innovation. Par définition, un chercheur cherche, en partant d’une idée, mais sans savoir où elle peut le conduire ni avec qui il sera amené à interagir. Quand j’ai débuté mes recherches en physique, j’ignorais que je me retrouverais à échanger avec des chirurgiens ophtalmologues ! On en revient à cette notion de sérendipité.
Loin de nous avoir dissuadés de transformer un laboratoire sur les sciences ultrarapides en un centre pour les sciences optiques ultrarapides, la NSF nous a encouragés, tout comme l’Université du Michigan. Ces institutions savent parfaitement que, dans la recherche, il y a beaucoup de choses imprévisibles. Il faut juste être prêt à accueillir cette part d’imprévisibilité.

- Quitte à être dans une forme d’indisciplinarité, autrement dit une aptitude à sortir de sa discipline ?

Oui, indisciplinarité, c’est le mot. Il arrive que, sur le bord de la route, on trouve un chemin, qu’on n’avait pas prévu de croiser, mais qu’on gagne à emprunter, quitte à bifurquer, donc. La recherche n’est pas moins imprévisible que la vie et c’est en cela qu’elle est passionnante.

 A lire aussi le compte rendu de la visite des laboratoires de l’École polytechnique – pour y accéder, cliquer ici.

Crédit photo : Jérémy Barande / École polytechnique.

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