Invention : Lasers ultra-rapides
En ayant découvert comment transformer un rayon laser continu en impulsions lasers ultra-rapides, la scientifique suisse Ursula Keller, également inventrice et professeure, a contribué à une avancée fulgurante dans les domaines de la chirurgie, du travail de précision et de la recherche scientifique. Les inventions d'Ursula Keller utilisent des impulsions de lumière durant moins d'un millième de milliardième de seconde et ont ainsi permis la création d'un instrument d'une précision sans précédent, utile en science, dans l'industrie et dans le milieu médical.
La recherche scientifique, le micro-usinage
industriel et les interventions médicales cruciales nécessitent des outils de
plus en plus précis, mais les scientifiques et les fabricants, tout comme les
chirurgiens, ont été incapables de maîtriser le plus précis de tous : la
lumière elle-même.
Ursula Keller a inventé le miroir absorbeur saturable à semi-conducteur (SESAM) en 1992, alors qu'elle travaillait chez AT&T Bell Laboratories. Ce miroir a permis de définir une méthode concrète afin de créer des impulsions de lumière laser très courtes et dynamiques. Grâce à ses découvertes, les lasers peuvent désormais produire de courtes impulsions dont la durée peut aller de quelques picosecondes (10-12 secondes) à quelques femtosecondes (10-15 secondes) et qui peuvent se répéter jusqu'à plusieurs milliards de fois par seconde.
La technique ultra-rapide Femto-Lasik utilisée en chirurgie oculaire permet de faire de petites incisions sans abîmer les tissus environnants. De même, le tissu cancéreux peut être retiré sans brûler les cellules saines voisines. Cette technologie a ouvert la voie à de nombreuses utilisations dans le secteur de l'usinage et du traitement des matériaux qui sont essentielles dans les secteurs automobiles et électroniques.
Profitant de son poste de professeure de physique à l'école polytechnique fédérale de Zurich (ETH), Ursula Keller a affiné et développé sa méthode SESAM, afin de pouvoir inclure plusieurs types de lasers. De plus, elle a développé un appareil précis de mesure scientifique qui explore les merveilles de l'univers à un niveau quantique.
Bénéfices pour la société
Presque tous les lasers ultra-rapides que l'on trouve sur le marché intègrent la méthode SESAM. Ces lasers permettent de découper des fines tranches très petites d'un matériau (de 10 à 100 nanomètres par impulsion laser). Ils n'utilisent pas la chaleur comme les autres types de laser, mais un processus appelé ablation par le froid. Dans le domaine médical, surtout en chirurgie oculaire, les lasers intégrant la méthode SESAM utilisent la quantité exacte d'énergie nécessaire à la réalisation de fines incisions sans abîmer le tissu environnant.
Puisque ces lasers ne chauffent pas ce qui les entoure, ils sont également utilisés pour dessiner de légers détails sur le verre, le polymère et les substrats de silicium qui se fêleraient ou se fragiliseraient sous des températures plus élevées. Ces lasers sont utiles pour la fabrication d'appareils électroniques high-tech comme les écrans tactiles de smartphones ou les écrans plats d'ordinateurs et de télévisions, car ils ont besoin de découpes précises ou de modèles de gravure sur du verre trempé.
Depuis que la technologie SESAM a été mise sur le marché il y a vingt ans, l'industrie automobile est l'un des secteurs qui utilise le plus le laser ultra-rapide. Les lasers ultra-rapides peuvent "percer" de petits trous étroits pour réduire le frottement et allonger la durée de vie des petites pièces rotatives. Ils servent également à remplacer les techniques de micro-usinages habituelles utilisées pour optimiser la forme du jet des injecteurs directs de carburant. Ce changement simple mais précis peut aider à améliorer leur rendement énergétique de 10 % ou plus sans nuire à leur performance.
De plus, Ursula Keller a utilisé sa technologie SESAM pour créer des sources de lumière laser peu onéreuses, les rendant ainsi adaptées pour les écrans laser, les télécommunications et les éclairages des technologies d'imagerie médicale. MIXEL est une adaptation récente de la technologie SESAM. Elle est plus facile à produire et augmente le nombre potentiel d'utilisations. Ainsi, elle pourra être utilisée pour les appareils électroniques comme les lasers dans les consoles de jeu et les systèmes de guidage laser (LIDAR) pour les véhicules autonomes.
Avantages économiques
En 2017, le marché des lasers ultra-rapides représentait 2,17 milliards d'euros dans le monde, soit 20 % du marché du laser mondial. Il devrait atteindre les 8,3 milliards d'euros d'ici 2023. Grâce aux nouvelles utilisations du laser ultra-rapide dans le micro-usinage pour les arbres de turbines des turbocompresseurs et pour les injecteurs directs de carburant, l'industrie automobile est l'un des secteurs à plus fort potentiel de croissance. Le marché mondial des lasers ophtalmiques utilisés pour la chirurgie oculaire, dont les lasers ultra-rapides (femtoseconde), devrait passer de 784 millions d'euros en 2016 à 1 milliard d'euros en 2021. Le secteur du laser femtoseconde devrait dominer le marché mondial en termes de chiffre d'affaires et de croissance.
Les plus importants acteurs du secteur du laser ultra-rapide sont Amplitude Systèmes (France), Coherent (Etats-Unis), Trumpf (Allemagne), Ekspla (Lituanie) et Fianium (Royaume-Uni). Il y a aussi Lumentum, la société mère de Time-Bandwidth Products, qui est une entreprise dérivée de l'ETH de Zurich et fondée par Ursula Keller en 1995.
Elle a également lancé une deuxième start-up, GigaTera, qui a été intégrée à Time-Bandwidth Products. Plusieurs étudiants d'Ursula Keller ont développé leurs propres entreprises dérivées ou leurs start-ups. Parmi elles, on trouve High-Q, maintenant propriété de par MKS, Onefive, rachetée par NKT Photonics en 2017, et Amplitude Systèmes. Même s'il est difficile de donner des chiffres exacts, on estime que ce secteur a généré plus de 100 millions d'euros d'activité économique, créant la plupart de leurs emplois du secteur des lasers hauts de gamme en Europe.