Avec Toulouse laser, la Novela célèbre les 50 ans du laser

Il y a 50 ans, en mai 1960, le physicien américain Théodore Maiman, réussissait la première émission de lumière laser à partir d’un cristal de rubis. Il concrétisait ainsi un principe, l’émission stimulée, décrit en 1917 par Albert Einstein. En 1950, Alfred Kastler propose un procédé de pompage optique, mis en oeuvre expérimentalement par Brossel, Kastler et Winter en 1952. En 1958, le premier maser (fonctionnant avec des micro-ondes) avait été construit par les physiciens Gordon, Zeiger et Townes.

Pour retracer cette aventure scientifique, les salons Marengo de la médiathèque de Toulouse ont été occupés pendant trois jours par les physiciens toulousains qui proposaient des « manips » et des explications pour le grand public. Cette opération a été coordonnée par Béatrice Chatel du CNRS (laboratoire Collisions Agrégats Réactivité), avec le soutien de la délégation régionale du CNRS. Le CNRS et l’ONERA proposaient également de découvrir les applications et utilisations du laser pour la recherche et l’industrie, comme la soudure chez Airbus ou le câblage par fibre optique chez Scopelec.

D’autres animations plus artistiques étaient visibles sur les murs de la ville et dans la cour Henri IV au Capitole.

Les faisceaux laser de Global Rainbow au dessus du Pont neuf vus depuis le pont Saint-Michel.
Crédit image : Gédéon / Planète Sciences Midi-Pyrénées

Un arc-en ciel nocturne : le global rainbow

Du 11 au 16 octobre, pendant la deuxième semaine de la Novela 2010, les toulousains ont pu admirer l’arc en ciel laser d’Yvette Mattern et de Laserfabrik traverse le ciel nocturne toulousain. Ce dispositif spectaculaire, baptisé Global Rainbow, a été présenté pour la première fois en janvier 2009 à New York au moment de l’investiture de Barack Obama, puis lors du Festival Transmediale à Berlin en février 2010.

A partir du sommet de l’arche de la médiathèque, l’ensemble de 7 faisceaux laser traverse la ville. Il est visible au moins jusqu’à Saint-Cyprien. C’était l’occasion de faire des photographies exceptionnelles de Toulouse la nuit mais aussi de s’intéresser un peu au laser et aux propriétés de la lumière.

Un peu de technique et de culture scientifique :

Global Rainbow est surtout présenté sous son angle artistique et symbolique, avec un arc-en ciel « porteur d'espoir traversant des villes meurtries comme New York ou Berlin » explique sa conceptrice. A toulouse, à l’occasion de la Novela 2010, l'arc-en-ciel « enjambe la ville comme un pont entre passé et modernité ».

Un tel dispositif est aussi l’occasion de parler un peu de technologie. Très peu d’informations ont été données au public sur le défi technique de l’arc-en-ciel recréé à partir de septe sources laser. Certaines couleurs, le rouge, le vert et le violet, sont obtenues à partir d’une seule longueur d’onde. D’autres, l’orange, le jaune, le cyan et le bleu sont un mélange de deux sources colorées.

Longueurs d'ondes et puissances utilisées pour les couleurs de l'arc-en-ciel laser Global Rainbow

La puissance totale émise est donc de l’ordre de 110W. C’est l’équivalent d’une ampoule à incandescence classique. La grosse différence, c’est que la puissance du laser est émise dans une direction très précise alors que l’ampoule diffuse sa lumière dans toutes les directions.

Il s’agit bien ici de puissance émise. Pour estimer la puissance électrique nécessaire à une telle installation, il faut tenir compte du rendement du laser. Si on estime ce rendement entre 1% et 5%, on arriverait à une puissance totale de quelques kilowatts. J’ignore quels sont les modèles de lasers utilisés, probablement des lasers à gaz, vu la puissance émise. Dans d’autres spectacles, Laserfabrik a utilisé des lasers de marque Spectra Physics ou JenLas.

Voici tout ce que j’ai pu collecter comme information... Si vous en savez plus sur le dispositif Global Rainbow de la Novela, merci de poster un commentaire à la fin de cet article ou de me contacter directement.

A titre de comparaison, la diode laser dans un lecteur de CD a une puissance de 3 à 5 mW. Une Diode électroluminescente classique, de couleur rouge, émet une puissance de 36 mW. La puissance du laser dans un graveur de CD est de 50 à 100 mW. Un laser industriel, utilisé pour la soudure ou la découpe, émettant en continu, peut avoir une puissance de 25 à 50 kW. Des laser impulsionnels, délivrant sur des durées courtes (de l'ordre de la nanoseconde ou même de le picoseconde) peuvent avoir des puissances de crête bien plus élevées : il faut davantage parler d'énergie émise (exprimée en joules). la puissance, mesurée en watts, correspond à l'énergie délivrée par unité de temps (1 joule = 1 watt par seconde). A Barp, près de Bordeaux en Gironde, le laser Mégajoule, destiné à des expérimentations sur la fusion nucléaire, sera le laser le plus énergétique au monde (mais pas le plus puissant...). Il devrait délivrer 1,8 mégajoules, à partir de 240 faisceaux laser convergents. La puissance crête pourrait atteindre 550 térawatts (1 TW = 10¹²W). L'installation a été inaugurée le 14 ocotbre 2010 par Nicolas Sarkozy mais ne sera opérationnelle qu'en 2014.

Attention : Selon la puissance et la longueur d'onde de la lumière émise, un laser peut représenter un danger pour la vue et provoquer des brûlures irréparables de la rétine.

Une variante de l’expérience du disque de Newton à l’échelle de la ville de Toulouse

Au-delà de la dimension artistique, le dispositif Global rainbow permettait également de revivre quelques expériences sur la lumière et les couleurs. Avez-vous par exemple pensé à l’utiliser pour refaire, à grande échelle, l’expérience du disque de Newton ?

Un disque de Newton est composé de secteurs aux couleurs de l'arc-en-ciel. Une fois en rotation rapide, le disque paraît blanc (ou gris). Isaac Newton a ainsi mis en évidence que la lumière blanche est une combinaison de couleurs fondamentales. Cette expérience est complémentaire de celle consistant à décomposer la lumière blanche en ses différentes composantes colorées à l'aide d'un prisme ou d’un réseau.

Quel rapport avec les lasers du Global rainbow. C’est une question de point de vue…

En fonction de l’endroit d’où on observe les faisceaux laser, leur apparence change beaucoup :

Lorsque l’observateur est à proximité du faisceau, près de la médiathèque par exemple ou quand on le voit par le dessous, on distingue nettement les sept faisceaux colorés.
A plus grande distance, par exemple lorsqu’on voit le faisceau depuis le pont, à l’horizontale, celui-ci apparaît blanc : les différentes couleurs se superposent et se mélangent et, comme un disque de newton, recréent une lumière blanche.

Gedeon - Global Rainbow - Novela 2010 - Angle Air France

Gedeon- Global Rainbow - Novela 2010 - Jean Jaures

Gedeon - Global Rainbow - Novela 2010 - Mediatheque

De la médiathèque jusqu'à la place Wilson, les 7 faisceaux colorés sont bien visibles.
Crédit image : Gédéon / Planète Sciences Midi-Pyrénées

A partir du pont des catalans, la superposition des faisceaux recrée un lumière blanche.
Crédit image : Gédéon / Planète Sciences Midi-Pyrénées

Un disque de Newton qui ne tourne pas et un dispositif spectaculaire qui n’est pas à la portée de tout le monde : il fallait saisir l’occasion de la Novela et les jeunes qui étaient avec moi étaient assez convaincus…

Mieux que la guerre des étoiles et le sabre laser des Jedi, le laser télescopique de la géodésie spatiale :

Envoyer des rayons laser dans le ciel n’est pas toujours fait pour un spectacle son et lumière ou pour une performance artistique. L’objectif peut être scientifique et technique.

C’est en octobre 1964 que la technique de télémétrie par laser a été utilisée avec le premier satellite muni de réflecteurs laser, Explorer 22. Le principe de la télémétrie laser consiste à mesure le temps que met la lumière entre la station d’émission et le satellite. Celui-ci doit être spécialement équipé de réflecteurs.

Déterminer ainsi les orbites précises des satellites permet indirectement d’effectuer de multiples mesures sur la Terre : la satellite en orbite subir l’attraction terrestre mais celle-ci fluctue en fonction de la densité, de la masse des roches, de l’élasticité de la Terre, de la position de la lune ou du satellite.

Décroche-moi la Lune : une partie de ball-trap à 400.000 km

La télémétrie laser est appliquée également à notre satellite naturel, la Lune, afin de fournir des mesures précises sur le système Terre-Lune. Des stations laser, dont celle du CERGA à Grasse, émettent un faisceau laser qui est réfléchi par les panneaux, et le faisceau réfléchi est détecté : le temps d’aller retour permet de déterminer la distance Terre-Lune avec une précision de 1 à 2 centimètres. Les astronautes de trois des missions Apollo ont installé sur la Lune des Panneaux de réflecteurs Laser. Deux réflecteurs laser français ont été mis en place par le véhicule soviétique Lunakhod-17 en novembre 1970.

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A droite, une tourelle de télémétrie laser. Elle comporte un télescope (ici de type cassegrain) récepteur de la lumière réfléchie par la cible, et le long du télescope, l’ensemble afocal de sortie du faisceau laser.
Crédit image : Observatoire de la Côte d'Azur

Il s'agit de tirs laser dans le vert réalisés à l'observatoire de la Côte d'Azur, sur le plateau de Calern, dans le cadre des opérations dites "laser-lune" dont l'objectif est d'obtenir des distances d'un point fixe de la Terre (croisée des deux axes de rotation du télescope) aux cinq points de la Lune où ont été déposés des réflecteurs (missions américaines Apollo XI, XIV et XV, et sondes soviétiques Lunakhod 17 et 21).

Depuis le milieu de 1995, la station fonctionne en mode millimétrique avec une précision interne de l'ordre de 3 mm sur un point d'observation, correspondant à environ une centaine d'échos recueillis pendant une durée de dix minutes.

Le but ultime est de déterminer de manière précise la forme de la Lune (sélènodésie), de tester les théories les plus fines pour l'élaboration d'éphémérides (mécanique céleste), de tester les théories relativistes de la gravitation (ajustement des paramètres post-newtonien) et d'un point de vue très pratique, de caler l'heure terrestre sur l'heure du grand horloger de l'Univers (on avance ou retarde d'une seconde de temps de nos montres de temps en temps...).

En France, la télémétrie laser a été le bénéficiaire involontaire de la faible charge utile que pouvaient embarquer les premiers lanceurs. Leur petit gabarit était incompatible avec la plupart des expériences scientifiques. Le satellites de télémétrie laser, passifs et simplement équipés de réflecteurs laser furent les premiers passagers idéaux. La recherche en géodésie spatiale est organisée en France autour du GRGS, créé en 1971 par le Bureau des longitudes, l’Institut Géographique National (IGN), l’Observatoire de Paris et le CNES. Le Centre Spatial de Toulouse accueille une partie de ce laboratoire. Plusieurs grands noms de la recherche spatiale française feront partie de ce laboratoire : Michel Lefebvre, Anny Cazenave, Gérard Brachet, Georges Balmino, Yves Ménard. Il débouchera sur la création du LEGOS (Laboratoire d’études en géophysique et océanographie spatiales) au sein de l’Observatoire Midi-Pyrénées.

La station de télémétrie laser sur la Lune à l'observatoire de Calern.
Crédit image : Observatoire de la Côte d'Azur

Un grand merci à Jean-Pierre Rozelot et à Francis Pierron de l'Observatoire de la Côte d'Azur qui m'ont fourni les illustrations et les explications détaillées !

Les « French laser men » impressionnent les américains et préparent les futures coopérations en altimétrie spatiale

Dès décembre 1964 et janvier 1965, les français font la démonstration de leur savoir-faire en parvenant, à partir d’une tourelle de DCA « bidouillée » installée sur l’observatoire Saint-Michel de Haute-Provence à obtenir de très bons échos laser sur le satellite américain BEB et à déterminer précisément les paramètres de son orbite. Cette performance fera l’objet en 1965 d’une communication pendant le congrès COSPAR à Buenos-Aires.

Les 8 et 15 février 1967, à l’occasion des deux derniers lancements effectués depuis Hammaguir (Algérie), les satellites Diadème-1 (D-1C) et Diadème-2 (D-2C), qui, comme leur nom l’indique, sont équipés de réflecteurs laser, sont mis en orbite. L’objectif est de mettre en place une large base de triangulation doppler et laser autour de la Méditerranée entre Saint-Michel en Haute-Provence, Stephanion en Grèce et Colomb-Béchar en Algérie.

A la fin de l’année 1970, c’est le lancement du satellite Péole qui marque le démarrage de l’opération Isagex, campagne internationale de géodésie par satellites (International Satellite Geodesic Experiment), coordonnée par le GRGS, à laquelle participent vingt-trois pays. Les données collectées serviront à établir les premiers modèles précis du champ de gravité de la Terre.

Pour les américains, impressionnés par le nombre et la qualité des mesures laser, l’équipe française deviendra les « French laser men », un surnom flatteur qui allait également faciliter les coopérations à venir, en particulier dans le domaine de l’altimétrie spatiale.

Les paillettes de la starlette sous les feux des projecteurs :

6 février 1975 : succès du premier lancement d’une fusée Diamant BP-4 depuis Kourou et mise en orbite de « Starlette ». Starlette est un satellite passif de géodésie laser d’une masse de 47 kg. Une sphère ou plutôt un polyèdre à vingt faces équipé 60 réflecteurs en coins de cube. Pas facile d’imagine une sphère avec 60 coins de cube !

Eh bien, c’est à peu près le contraire d’une boule à facettes…

Les habitués des discothèques savent qu’une boule à facette est conçue pour renvoyée un faisceau lumineux dans toute les directions et créer ainsi des tâches lumineuses en mouvement. Au contraire, un coin de cube, constitué de trois miroirs assemblés à angle droit, renvoie toujours la lumière dans la direction d’où elle provient : Quand un des coins de cubes de Starlette reçoit un faisceau laser émis depuis la terre, celui-ci est renvoyée vers la station émettrice qui peut ainsi mesurer le temps de parcours du signal lumineux.

Le satellite Starlette (Crédit image : CNES)

Grâce aux caractéristiques de son orbite (apogée à 1108 km, périgée à 806 km, inclinaison de 49°82), Starlette va continuer très longtemps sa ronde en orbite. Entièrement passif, on peut dire que c’est un des satellites dont la durée de vie opérationnelle est de plusieurs milliers d’années.

Pour la petite histoire, Starlette a pourtant failli être perdue deux fois ! Dans le livre « Michel Lefebvre, marin de l’Espace. Comment un capitaine au long cours devenu astronome a fait bouger l’océan » écrit par Yves Garric, Michel Lefebvre raconte en souriant cette anecdote :

La première fois, c’était en avion entre Paris et Toulouse… Fabriqué par le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique), le cœur de starlette, une sphère d’un diamètre de 25 cm en uranium appauvri très dense (pour limiter les frottements atmosphériques résiduels), avait été enregistré en bagage accompagné pour un vol de Paris à Toulouse. Bagage égaré dans un premier temps à l’arrivée à Blagnac : le chef de projet a fait une déclaration de perte en mentionnant sur le formulaire « satellite » !

La deuxième fois, c’était le jour du lancement et de la mise en orbite : au moment de l’injection, la fin de propulsion, avec des résidus de combustion fait passer le troisième étage devant le satellite. C’est donc le troisième étage, pris pour le satellite, qui est suivi par les radars dans un premier temps : aucun signal n’est émis par le satellite entièrement passif… Heureusement, Starlette sera retrouvée peu de temps après depuis le sol grâce à une caméra de poursuite Baker-Nunn, sans avoir à remplir de formulaire de perte.

Stella, identique à Starlette, a été lancée en septembre 1993, en même temps que le satellite d’observation Spot 3, sur une orbite quasi-circulaire à 800 km d’altitude, inclinée à 98°.

Dans un article précédent, d'autres applications du laser dans l'espace sont présentées, avec un particulier le futur satellite ADM-Aelus construit par EADS Astrium pour l'Agence Spatiale Européenne. Une autre application, également étudiée par Astrium, porte sur la production d'énergie électrique en orbite et sa transmission au sol.

En savoir plus :

Le site internet de la société Laserfabrik.
Un article sur le laser sur le site Wikipédia.
Sur les pages jeunesse du CEA (Commissariat à l'énergie atomique), des explications très claires et très complète sur les différents types de lasers.
Sur le site de l'Observatoire Midi-Pyrénées, une page sur l'histoire du GRGS (Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale) et une page sur l'activité laser - satellite et laser - Lune.
Sur le site eoedu, un article sur le secret des couleurs et un autre sur le spectre électromagnétique.
Sur le site astrosurf, un article sur les principes de la spectroscopie et un autre sur la vision des couleurs.
De nouveaux projets spatiaux pour améliorer la connaissance du champ de gravité terrestre, avec les missions GRACE (en anglais sur le site de l'université du Texas) et GOCE (en anglais sur le site de l'Agence Spatiale Européenne).
Sur le site de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA), les pages sur la télémétrie laser Lune et la télémétrie laser satellites, avec deux activités récentes sur la sonde LRO "Lunar Reconaissance Orbiter" et le satellite Jason.
Un livre à lire absolument : « Michel Lefebvre, marin de l’Espace. Comment un capitaine au long cours devenu astronome a fait bouger l’océan », écrit par Yves Garric. Editions Loubatières Sciences.
Les autres articles écrits à l'occasion de la Novela 2010.
Le site Internet de la Novela.

Suggestions d’utilisations pédagogiques en classe :

Découvrir les propriétés géométriques de la lumière en construisant de petits dispositifs illustrant les réflexions sur les miroirs : miroirs simples, périscopes, coins de cube
Réaliser en classe des expériences sur la décomposition et la reconstitution de la lumière blanche avec des réseaux ou des prismes.
Pour les plus grands, travail sur les longueurs d'onde, les fenêtres de transparence de l'atmosphère et le choix des bandes spectrales dans les satellites d'observation.
Fabriquer un disque de Newtonsur le site de l'académie d'Aix-Marseille.
Une question sur le disque de Newton sur le site de la main à la pâte.
Des activités pédagogiques sur les couleurs sur le site du CLEA (Comité de Liaison Enseignants Astronomie : initiation et approfondissement.
Sur le site de l’IUFM de Paris, les aspects physiques de la couleur.
Les activités astronomie de Planète Sciences.

Cet article fait partie d'une série publiée par Planète Sciences Midi-Pyrénées à l'occasion de la Novela 2010 qui s'est tenue du 1^er au 17 octobre à Toulouse. En relation avec les animations de la Novela, ces articles sur le thème "Images en mémoire, mémoire en images" retracent une petite histoire de l'espace à Toulouse.