Entre lumière et matière : visite du laboratoire Hubert Curien

Publié par Jean Gibert, le 5 mai 2017   1.2k

Xl laser vert


A Saint-Etienne, le laboratoire Hubert Curien rime avec prestige : CNRS, Université Jean Monnet et Pôle Optique en sont les précurseurs. Même si ce laboratoire est aussi dédié aux sciences informatiques et à l'électronique, nous nous intéresserons plus précisemment ici aux recherches en physique sur les interactions laser-matière.
Nous avons la chance de visiter les salles dédiées aux applications laser et matière en compagnie d'Aziz Boukenter. En guise d'introduction, ce professeur et directeur du département optique, photonique et hyperfréquence attire notre attention sur le fait qu'un laboratoire scientifique est un établissement de recherche mais aussi une organisation complexe de travail. Le laboratoire H. Curien comporte deux départements : le premier Optique - Photonique - Hyperfréquences que l'on pourrait appeler "département de physique". Le deuxième se consacre aux sciences de l'informatique, à l'électronique et à l'image. Au total ce sont 240 personnes qui travaillent dans ce long bâtiment de verre et de de métal situé dans le quartier de la Cité du design. Si le laboratoire existe depuis 1976, il acquiert en 2006 une autre dimension et prend le nom de Laboratoire Hubert Curien (LHC). Hubert Curien (1923-2005) a étudié la cristollographie et a exercé de hautes fonctions administratives, dont la direction de L' Agence Spatiale Européenne. Ministre à deux reprises, il est aussi le père de Sciences en fête connue désormais sous le nom de la Fête de la science. Son influence en France a été considérable tant pour l'organisation de la recherche public que pour la recherche industrielle qui se sont considérablement développées pendant ses deux ministères.

Les personnels


Dans les couloirs du laboratoire, nous croisons des administratifs, des technicien.ne.s, des ingénieur.e.s d'étude, des ingénieur.e.s de recherche, des professeur.e.s d'université, des enseignant.e.s chercheurs, des directeurs et des directrices de recherches,... Aziz Boukenter nous précise : "Certains personnels dépendent du CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique), d'autres de l'Université Jean Monnet ou de l'Institut d'Optique Graduate School de Paris et d'autres enfin sont rattachés à l'Ecole des Mines. Le laboratoire Hubert Curien relève donc de trois tutelles. Alors qu'une centaine de personnes travaillaient au laboratoire en 2001, elles sont aujourd'hui 250 dont certaines pour des durées de recherche relativement courtes, c'est-à-dire un à deux ans."



Les financements
Nous abordons avec Aziz Boukenter la question du fonctionnement budgétaire de l'établissement. Les travaux de recherche sont financés par les tutelles et par les programmes de recherches qui sont montés par les chercheurs afin d'obtenir des budgets. Le financement se fait en répondant à des appels d'offre de l'Agence Nationale de la Recherche (ANR). Environ 10 % des dossiers obtiennent une réponse positive. Comme le souligne Aziz Boukenter, les financements s'élaborent aussi grâce à des GIE (Groupements d'Intérêt Economique) qui rapprochent recherche académique et secteur industriel. Le Laboratoire Hubert Curien s'appuie entre autre sur le GIE Manutech-GIE.



Les sujets de recherches
Les sujets de recherches dépendent de deux départements et de 6 axes principaux de recherche. Parmi eux, M. Boukenter mentionne l'importance de la recherche laser-matière. Le laser permet d'étudier les changements de la matière et de ses propriétés lors d'impacts courts. Ces études ont des applications dans la tribologie (l'étude des frottements) pour élaborer des revêtements évacuant l'eau rapidement, ou produire des surfaces de pièces mécaniques réduisant les échanges thermiques. Pour Aziz Boukenter : "un laboratoire de recherche est une source de création de nouveaux savoirs indispensables à l'activité économique." Il cite par exemple la collaboration avec Peugeot pour réduire les frottements de certaines pièces mécaniques. Même si la baisse de frottements est infime, les effets cumulés sur un parc automobile en matière de consommation énergétique et d'émission de CO2 est conséquente.



Le laser


Le mot « laser » est l'acronyme de l'anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ou en français Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Radiations. La lumière laser est créée dans un dispositif, composé de deux miroirs aux extrémités d'un cylindre, que l'on nomme la cavité résonante. Au centre de ce cylindre, la lumière laser est générée par un système amplificateur composé du milieu actif et d'un système de pompage.

Pour résumer, un laser c'est : une cavité résonante (les miroirs et le cylindre) + un milieu amplificateur (ou milieu actif) + une source d'énergie extérieure (ou système de pompage)



Le milieu actif peut être un cristal (ex.rubis ou titane-saphir) ou un gaz (ex.CO2, Hélium-néon ou Argon) ou encore de la fibre optique.

Le système de pompage peut être un flash, un autre laser ou une décharge électrique. Ce système va photocopier les photons. Un des deux miroirs est opaque à 98 % pour laisser passer le faisceau laser. Le laser génère une lumière unidirectionnelle contrairement à une ampoule qui rayonne. Elle est composée d'une seule couleur contrairement à la lumière blanche de l'ampoule qui est constituée de toutes les couleurs.

Le faisceau laser possède une seule fréquence.

Pour aller plus loin dans la compréhension du fonctionnement du laser je vous conseille le site de Tout est quantique (1min.) ou celui d'Unisciel (5min.)



Rencontre avec Anne-Sophie Loir


Anne-Sophie Loir a effectué une thèse de doctorat en sciences et génie des matériaux. Aujourd'hui Maître de Conférence, elle répond à nos questions.
ES : Pouvez-vous nous parler de votre métier ?
ASL : Après un doctorat, je suis devenue Professeure des Universités. Normalement les professeur.e.s des Universités consacrent leur emploi du temps pour moitié à l'enseignement et pour l'autre à la recherche. Dans les faits, certains possèdent des décharges pour la recherche ce qui empiète sur leur temps d'enseignement. Pour mon compte, c'est l'inverse : j'enseigne à l'IUT de Saint-Etienne et c'est l'enseignement qui prend le pas sur la recherche.



ES : Pouvez-vous nous expliquer le sujet de votre thèse ?
ASL : Le sujet de ma thèse, pour faire très simple, portait sur les couches minces, -et quand je dis mince, je parle de 50 à 150 nanomètres !- que l'on obtient grâce à une exposition laser très courte, de l'ordre d'une femtoseconde, c'est-à-dire 10 à 15 seconde, d'une cible qui va "émettre" un plasma sur un substrat.


Le substrat étant l'objet que l'on veut recouvrir d'une couche mince. Dans le cas de ma thèse, il s'agissait d'application biomédicale sur certaines prothèses.

ES : Où trouve-t-on des lasers dans notre quotidien ?
ASL : Le laser a de très nombreuses applications suivant sa nature : lecture de codes- barres, cryptographie, il peut effectuer des mesures de distance, de vitesse et de polluants. Il est aussi utilisé pour le guidage, le scanner 3D, l'analyse de pigments, le nettoyage, les découpes, les soudures et perçages, l'usinage ou l'armement … Le LHC étudie les actions du laser sur les surfaces, ce qui nous permet ainsi d'observer les changements de propriétés des matériaux traités.

ES : Quel horizon voyez-vous pour les recherches laser-matière ?
ASL : Les perspectives sont vastes sur la mise au point de nouveaux matériaux. Par exemple, la découverte du graphène par André Giem et Konstantin Novoselov a obtenu le prix Nobel en 2010 et ouvert d'immenses horizons. Le graphène est un très bon conducteur, il est à la fois souple et très résistant, 200 fois plus que l'acier. Avec le laser, nous pouvons donc changer sa conductivité, et fabriquer ainsi des transistors de toutes sortes. Le laser n'est pas seulement un outil de découpe chirurgicale ou industrielle, mais c'est un outil qui nous permet d'agir au niveau de la matière pour changer ses propriétés.

Autres liens

Journal du CNRS Le laser, histoire d'une découverte lumineuse.

CEA Le laser, un concentré de lumière.

Prix Nobel 2010 Le prix Nobel de physique a été décerné aux chercheurs Andre Geim et Konstantin Novoselov pour leurs travaux sur le graphène.

photo d'en-tête Sonia Barcet