Les diamants au service des lasers ? Cela peut sembler relever de la fiction ou être une idée révolutionnaire, cependant, grâce à une équipe de chercheurs de l'Université de Strathclyde, c'est désormais une réalité. Les travaux menés dans ces laboratoires, soutenus par l'Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC, conseil de recherche pour l'ingénierie et les sciences physiques) ont permis la mise au point d'un procédé inédit, permettant, à l'aide d'un diamant, de moduler la couleur du rayon de lumière d'un laser, depuis l'ultra-violet jusqu'à l'infrarouge, en passant évidemment par le visible.
Initialement découvert par Sir Chandrasekhara Venkata Raman, le "laser Raman" désigne un laser où un rayon de lumière monochrome change de couleur suite à une opération donnée (par exemple traversée d'un milieu siliconé ou autres polymères). Jusqu'à aujourd'hui, les couleurs obtenues par les traitements conventionnels étaient limitées, notamment par les propriétés physiques des matériaux utilisés, comme par exemple une capacité réduite à transmettre la chaleur, ou des propriétés optiques ne permettant pas de produire certaines gammes de couleurs. A l'inverse, le diamant possède une conductivité thermique inégalée, ainsi que des propriétés physiques (dureté, rigidité) et optiques rendant son utilisation idéale pour des lasers.
Suite au programme de recherche "Diamond Raman lasers" (2008-12, subventionné par l'EPSRC à hauteur de 620.000 £), l'équipe du Pr Martin Dawson, initiateur et superviseur du programme, et du Dr Alan Kemp, chercheur principal, a réussi à créer le premier laser au monde "modulable". La couleur de ce laser peut en effet être réglée à volonté, grâce aux propriétés optiques du diamant, permettant par exemple d'obtenir un rayon jaune-orangé, jusqu'ici difficile à produire, et nécessaire pour certaines applications médicales (comme par exemple le traitement de lésions vasculaires, la lumière jaune-orangée permettant de maximiser l'absorption par la lésion tout en minimisant les dégâts potentiels sur les tissus adjacents).
Bien que des équipes de chercheurs, notamment australiens, mènent actuellement des travaux similaires, les scientifiques de Strathclyde sont parvenus à ce résultat inédit au monde, et ont également réussi à créer le premier laser Raman au fonctionnement continu (en opposition aux lasers à pulsation de lumière). Cette avancée est également très appréciable pour certaines applications du laser, par exemple les opérations des yeux, où des pulsations de lumières pourraient endommager la structure délicate de l'oeil, ou d'autres opérations dans lesquelles la perturbation acoustique issue d'un laser pulsé serait trop puissante pour des zones très sensibles.
Le Dr Alan Kemp a déclaré: "Exploiter les diamants monocristallins directement pour les lasers permet d'ouvrir un monde de possibilités. L'un des avantages clés est qu'il n'est pas nécessaire d'avoir un gros cristal pour générer la puissance nécessaire, les lasers peuvent donc être beaucoup plus petits. Les lasers Raman conventionnels nécessitent l'incorporation d'un cristal long de trois à six centimètres. Mais nos nouveaux lasers peuvent produire la même puissance avec un cristal de diamant d'à peine deux à six millimètres. Cela permettra notamment d'installer ce type de lasers dans des espaces confinés, jusqu'ici estimés inaccessibles - comme par exemple pour certaines applications aéronautiques et médicales, pour lesquelles il est nécessaire d'avoir des lasers puissants de couleurs spécifiques, mais où la contrainte spatiale est cruciale".
L'équipe de recherche a effectué ses travaux en collaboration étroite avec l'entreprise britannique Element Six, leader mondial en diamants artificiels. L'utilisation de diamants artificiels plutôt que naturel présente, en plus du coût, l'avantage de pouvoir maîtriser partiellement les propriétés optiques voulues des diamants utilisés. Outre le soutien de l'EPSRC lors du programme Diamond Raman lasers, l'équipe de recherche a d'ores et déjà obtenu une bourse du Conseil de Recherche européen pour un projet de suivi. Le professeur Dawson a déclaré: "Nous avons montré que les lasers Raman à diamants représentent une technologie unique à fort potentiel. Le développement de technologies innovantes à base de lasers est un domaine extrêmement compétitif, et le soutien que nous a apporté l'EPSRC nous a permis de faire des avancées mondiales et prometteuses. Nous allons désormais tabler sur ce succès pour essayer de rendre disponible une toute nouvelle génération de lasers, avec un déploiement envisagé dans les cinq à dix prochaines années".