Ce lauréat du prix Nobel a ouvert la voie à la haute

En grandissant, Donna Strickland avait un objectif en tête : obtenir un doctorat. Mais elle ne savait pas quelle matière elle voulait poursuivre jusqu'à ce qu'elle entreprenne ses études de premier cycle en physique à l'Université McMaster, à Hamilton, en Ontario, au Canada. C'est là qu'elle s'est intéressée à l'étude des lasers après avoir suivi un cours sur le sujet.

Le sujet semblait "vraiment cool, comme quelque chose d'un roman de science-fiction", dit Strickland. Elle ne savait pas que sa nouvelle passion lui vaudrait un jour un prix Nobel de physique.

EMPLOYEUR

Université de Waterloo, en Ontario

TITRE

Professeur de physique

GRADE DE MEMBRE

Membre honoraire

MÈRE NOURRICIÈRE

Université de Rochester, à New York

Tout en menant des recherches en optique pour son doctorat à l'Université de Rochester, à New York, Strickland a travaillé avec le physicien français Gérard Mourou, pionnier du laser et lauréat du prix Nobel. Mourou a dirigé le développement du réseau Extreme Light Infrastructure de laboratoires de physique construit pour générer et étudier la lumière laser intense. Ensemble, tout en expérimentant comment augmenter la puissance de crête d'un laser sans l'endommager, ils ont inventé la technique d'amplification des impulsions modulées. Le CPA, qui produit de courtes impulsions laser atteignant une intensité élevée, est désormais utilisé dans la chirurgie oculaire corrective, l'imagerie médicale, la fabrication de smartphones et bien d'autres applications.

Strickland et Mourou ont partagé le prix Nobel de physique 2018 avec Arthur Ashkin, boursier à vie de l'IEEE, qui a inventé une technologie distincte : les "pinces optiques", qui utilisent des faisceaux laser de faible puissance pour manipuler des cellules vivantes et d'autres objets minuscules.

Recevoir le prix Nobel a "changé la vie", dit Strickland, ajoutant : "Votre vie peut changer en une seule journée sans que vous soyez prêt pour cela".

Son invention lui a également valu le titre de membre honoraire de l'IEEE de cette année, qui est parrainé par l'IEEE. Elle dit que la reconnaissance est spéciale parce que ses collègues l'ont nommée pour cela.

"Le travail de Donna a été transformateur. Ses recherches fondamentales sur l'amplification des impulsions modulées sont l'étalon-or de la recherche", a déclaré l'un de ses parrains. "De plus, elle est un véritable modèle pour des légions d'ingénieurs du monde entier. C'est une personne extrêmement généreuse et un brillant exemple de ce que devrait être un membre honoraire de l'IEEE."

Strickland est professeure de physique à l'Université de Waterloo, en Ontario, où elle dirige un groupe de chercheurs qui développe des systèmes laser à haute intensité pour des investigations en optique non linéaire telles que la génération d'impulsions dans l'infrarouge moyen par mélange de fréquences différentielles et l'étude de la technique de génération Raman multifréquence.

Donna Strickland reçoit le prix Nobel de physique 2018 des mains du roi Carl Gustaf de Suède, à la salle de concert de Stockholm.Henrik Montgomery/TT News Agency/Getty Images

Après avoir obtenu en 1981 un baccalauréat en génie physique de McMaster, Strickland a déménagé à New York pour poursuivre un doctorat en optique à l'Université de Rochester, qui à l'époque était considérée comme l'une des meilleures écoles pour étudier l'optique laser. Elle a rejoint Mourou au Laboratoire d'énergie laser de l'université, où il cherchait des moyens d'augmenter l'intensité des lasers (sa puissance optique) sans endommager l'appareil.

Les lasers pulsés peuvent concentrer la lumière sur une petite zone pendant une courte période pour produire de l'énergie. Les intensités maximales ont augmenté rapidement pendant plusieurs années après que le physicien Theodore Maiman a démontré le premier laser en 1960. Mais les intensités se sont stabilisées pendant plus d'une décennie après 1970 car l'amplification de la lumière au-delà d'un certain point a endommagé le laser.

Dans ses recherches sur la façon dont la lumière interagit avec la matière, Mourou a émis l'hypothèse en 1983 que l'espacement et l'augmentation des impulsions avant de les réunir pourraient entraîner des impulsions laser de plus haute intensité sans dommage. Mais il ne savait pas comment y parvenir, dit Strickland. Alors pour sa recherche doctorale, elle a testé son hypothèse avec différents systèmes laser. Cependant, aucune de ses expériences n'a fonctionné.

"Donna est un véritable modèle pour des légions d'ingénieurs du monde entier. C'est une personne extrêmement généreuse et un brillant exemple de ce que devrait être un membre honoraire de l'IEEE."

Ce n'est que lorsque Strickland et Mourou ont assisté à la conférence internationale de 1984 sur les phénomènes ultrarapides qu'ils ont trouvé la solution. L'événement semestriel rassemble des scientifiques qui développent des outils, des méthodologies et des techniques utilisées pour étudier les processus dans les atomes, les molécules ou les matériaux qui se produisent en millionièmes de milliardième de seconde ou plus rapidement.

Strickland et Mourou ont assisté à une présentation lors de la conférence sur la compression d'impulsions à fibre optique nouvellement développée des lasers à grenat d'yttrium et d'aluminium dopés au néodyme (Nd: YAG). Avec cette technique, des impulsions de 100 picosecondes pourraient être compressées à 1 ps en utilisant une optique non linéaire dans une fibre optique pour augmenter la bande passante spectrale d'un laser. Il a été constaté que la compression réussissait le mieux lorsque les impulsions pouvaient s'étirer à travers la dispersion dans la fibre.

"J'utilisais ces mêmes lasers pour mes expériences", se souvient Strickland.

Elle et Mourou ont découvert comment elle pouvait créer en toute sécurité l'impulsion de haute intensité : l'impulsion devait être étirée avant d'être amplifiée plutôt qu'après, comme ce qui avait été fait. L'étirement de l'impulsion signifiait qu'elle pouvait être recomprimée pour produire l'intensité souhaitée.

Pour tester sa théorie, Stickland et Mourou ont construit un système au Laboratoire d'énergie laser composé d'un laser Nd: YAG de 2 watts, de 1,4 kilomètre de fibre optique, d'un amplificateur et d'une paire de réseaux parallèles.

Le laser Nd:YAG a pompé une courte impulsion à 100 ps dans la fibre optique. Comme la vitesse de la lumière dépend de la longueur d'onde, la composante rouge de la lumière se propage plus rapidement que le bleu dans la fibre.

C'est ce qu'on appelle une "impulsion stridente", dit Strickland, parce que le gazouillis d'un oiseau a une structure de fréquence similaire.

L'impulsion chirpée allonge la durée de l'impulsion et répartit l'intensité de sorte qu'elle n'endommage pas le laser. L'impulsion étirée à faible densité d'énergie a ensuite été amplifiée et passée à travers une paire de réseaux de diffraction parallèles, ce qui a permis à la composante bleue arrière de rattraper le rouge. Les deux ont été remontés par réflexion sur les grilles. L'impulsion réassemblée était trois fois plus puissante que celle d'origine, dit Stickland.

La technique, qui porte le nom de l'impulsion chirpée, a depuis ouvert la voie aux impulsions laser les plus courtes et les plus intenses jamais créées, permettant de construire des systèmes laser plus compacts et plus précis.

L'article de 1985 de Strickland et Mourou "Compression of Amplified Chirped Optical Pulses" a été publié dans Optics Communications. C'était le premier article de recherche publié par Strickland.

Après avoir aidé à développer CPA, Strickland n'était toujours pas sûr du cheminement de carrière à suivre. Elle a demandé conseil à ses collègues, et l'un d'eux lui a dit que Paul Corkum, un physicien qui travaillait au département des phénomènes ultrarapides du Conseil national de recherches du Canada, recevait son premier chercheur postdoctoral cette année-là. Corkum, qui s'est spécialisé dans la science du laser, a été le pionnier du développement de la physique attoseconde. Strickland aimait le son de cela.

"Je me souviens d'avoir dit aux autres doctorants de mon laboratoire de recherche que Corkum ne connaissait peut-être pas encore mon nom, mais que j'allais être son deuxième postdoc", dit-elle. Elle a obtenu son emploi de rêve en 1988 et a travaillé pour lui pendant trois ans.

En 1991, elle est devenue physicienne au Lawrence Livermore National Laboratory, une installation du Département américain de l'énergie en Californie.

Alors qu'elle vivait sur la côte ouest, son mari, un physicien, vivait sur la côte est, travaillant chez Bell Labs à Murray Hill, NJ

Après avoir passé un an à l'écart, Strickland a déménagé dans le New Jersey pour rejoindre le personnel technique du Centre de technologie avancée de Princeton pour la photonique et les matériaux optoélectroniques. Elle a travaillé avec des ingénieurs électriciens, des ingénieurs mécaniciens et des chimistes là-bas, dit-elle, et "s'ils avaient un laser, je les ai aidés". Elle a aidé un professeur à construire un laser CPA et assisté un groupe de recherche qui effectuait la caractérisation optique non linéaire d'un nouveau matériau d'amplification d'impulsions.

Strickland dit qu'elle pensait qu'elle travaillerait à Princeton jusqu'à sa retraite, mais après que son mari a quitté les laboratoires Bell en 1996, ils sont retournés au Canada. Strickland s'est joint au département de physique de l'Université de Waterloo en tant que professeur adjoint. Elle a été promue professeure agrégée en 2002. De 2007 à 2013, elle a été directrice associée du département.

"Quand j'étais jeune, je voulais juste obtenir un doctorat et rester à l'école", dit Strickland. "Être professeur est la meilleure chose après être étudiant."