Lionel Canioni : 1990-2015, applications et coordination

Recherche fondamentale et applications

 

Lionel Canioni commence ses études à Marseille, avant de faire sa maîtrise à Bordeaux, et un DEA de physique, au CPMOH (voir article sur André Ducasse). Il cherche alors une thèse, et trouve le programme pour travailler avec des lasers femtoseconde, en 1991/92. Il rencontre alors André Ducasse et Laurent Sarger, qui lui proposent une thèse. L’un des aspects qui le séduit est que « le laser tient sur une table, on peut le manipuler directement ». C’est le second laser industriel de ce type d’Europe. Ses expériences portent sur la spectroscopie résolue dans le temps, il s’agit sonder des processus physiques très courts (avec un pas d’une centaine de femtosecondes). Il passe sa thèse en 1994, et après son service militaire, il trouve un poste sur cet axe de recherche au CPMOH. Au départ, il s’intéresse à la spectroscopie du solide, c'est-à-dire l’analyse de la réponse du solide soumis à un faisceau femtoseconde, puis à la spectroscopie dans les liquides, jusqu'à la spectroscopie résonnante, en partenariat avec le laboratoire d’optique appliquée de Palaiseau

 

Ces recherches assez fondamentales lui donnent une base théorique des phénomènes non-linéaires en interaction femtoseconde ; il cherche ensuite à aller vers les applications. Une des premières est de détecter des polluants, par exemple des hydrocarbures dans les rivières ou les lacs : l’idée est qu’avec un laser, on peut avoir une certaine réponse par fluorescence.

 

Avec un laser, on peut sonder à distance, et établir des cartographies de concentration d’hydrocarbure. La première manipulation est assez amusante : depuis le troisième étage du bâtiment de l’université, ils installent un télescope et décident de tirer sur le petit lac en contrebas, faire la manipulation, récupérer les spectres d’émissions, faire les matrices et déterminer ce qui se passe au niveau des hydrocarbures. Après moult autorisations et déclarations (on ne tire pas n’importe comment avec un laser), ils installent finalement une petite bassine à coté du lac, histoire de ne pas le polluer réellement pour l’expérience...

 

Tout en continuant d’avoir une activité de recherche fondamentale de réponse dynamique des matériaux en régime femtoseconde, le développement des applications se poursuit. Ils s’aperçoivent que cette manipulation n’était pas très sensible sur le terrain, par rapport aux résultats en laboratoire. Ils se tournent vers d’autres techniques, avec désormais des amplificateurs laser, grâce aux évolutions de la technologie : chaque impulsion est beaucoup plus énergétique, donc l’interaction avec le matériau est plus intense, et il y a possibilité de créer un petit plasma. De nouvelles spectroscopies deviennent possibles. L’intérêt est de voir la composition des matériaux : si on regarde le spectre émis par le plasma, il contient une information sur le matériau (grâce au spectre de raies). Cela se fait depuis quelques temps, mais pas en régime femtoseconde ; il s’agit de spectroscopie de plasma induite par laser (LIBS). Lionel Canioni et son équipe établissent une identification des atomes en fonction du spectre de leur réponse, et gagnent donc en compétence et en savoir-faire sur l’identification des atomes. Petit à petit, ils vont vers la quantification des éléments. La première manipulation leur permet… de quantifier les minéraux dans différentes eaux minérales achetées à la supérette du coin !

 

Une fois la technologie au point, ils décident d’appliquer cette méthode à l’analyse des sols. Cela peut être intéressant pour l’agriculture, pour les friches industrielles,… Le projet est de sortir la technologie du laboratoire pour passer à un instrument de terrain, pour avoir un pistolet laser qui permettrait de tirer sur le sol pour en obtenir la composition. Entre l’expérience et la pratique, il y a souvent beaucoup de problèmes qui surviennent. Il faut travailler sur les spectromètres, pour les rendre plus résistants aux conditions variables du terrain (température, humidité,…), sur la taille des lasers, qui ne peut se porter à bout de bras et dont le faisceau doit donc être apporté via une fibre optique. Il faut également travailler sur l’alimentation, sur la solidité des fibres optiques,… Beaucoup d’innovations sont faites en collaboration avec le Bureau des Recherches Géologiques et Minières (BRGM). Cette application LIBS prend sept ou huit ans pour arriver à un résultat quantifiable. Des entreprises commencent alors à se créer autour de ces applications LIBS.

 

En 1998, à un congrès, le professeur Silberberg fait une présentation, et évoque la possibilité d’utiliser les lasers femtoseconde pour faire de la microscopie multiphoton. Ils s'agit d'envoyer plusieurs photons simultanément sur la zone à observer, afin d'obtenir une réponse non-linéaire, de troisième harmonique. Cette technologie nécessitant des lasers infra-rouge femtoseconde dont disposent précisément Lionel Canioni et ses collègues, ils décident de travailler dessus, en collaboration avec des bio-physiciens. Ils commencèrent à fabriquer un microscope, avec son lot de difficultés (il faut des scanners, de l’électronique,…), pour finalement construire le microscope multiphotonique, et faire des images. Ils font partie des premiers groupes à faire des images statiques d’abord sur des cellules fixées, puis sur des cellules vivantes, enfin des films sur des cellules vivantes, et donc suivre les réactions de cellules à certaines conditions. Aujourd'hui, ces technologies sont par exemple appliquées au Bordeaux Imaging Center (voir article)

 

La structuration du LAPHIA

 

Dans le cadre du programme Initiative d'Excellence de l'Université de Bordeaux, en parallèle de l’arrivée de l’IOGS (Institut d’Optique Graduate School) à Bordeaux et du LP2N (Laboratoire Photonique Numérique et Nanosciences) se construit le Cluster d'Excellence LAPHIA (Laser and Photonics in Aquitaine). Y participent des acteurs historiques (le CPMOH devenu LOMA, le CELIA,…), mais aussi des laboratoires d’ingénierie, des laboratoires de spectroscopie (ISM), des laboratoires de science des matériaux (ICMCB, CRPP,…), le CEA, mais également le SPH (Sciences philosophie humanités). LAPHIA initie des programmes innovants et transverses en recherche, formation et inovation, en associant par exemple des personnes de la médiation des sciences, ce qui permet de suivre une nouvelle organisation de la recherche, et de mettre en avant les travaux des laboratoires. LAPHIA n’est pas un laboratoire au sens propre. C’est un centre d’excellence, c'est-à-dire des acteurs qui se rassemblent autour de projets de recherche structurant, autour de l'imagerie, de la photonique et des lasers. Ces projets de recherches permettent à toutes ces équipes d’avoir des actions communes tout en renforçant leur attractivité et leur réputation internationale.

 

LAPHIA structure la recherche, et permet d’être réactif sur une idée innovante en donnant un coup de pouce au projet pour qu'il se réalise dans la foulée. Il y a également des actions au niveau de la formation, pour que les étudiants puissent intégrer plus facilement le monde de l’emploi. Il s’agit d’aider les étudiants à acquérir d’autres compétences, faciliter leur mobilité, (voir article sur Laurent Sager) Il y a aussi une poussée vers la valorisation, pour penser aux applications, vers la création d’entreprise. LAPHIA fédère le site autour de ces trois volets : recherche, valorisation, formation. Le plus intéressant, le plus fort, c’est d’arriver à abattre les barrières et de fédérer l'ensemble des acteurs liés à la photonique. LAPHIA entretien des relations avec des industriels, la Route des Lasers, dans cette optique (voir article sur Hervé Floch).

 

Un de ses premiers projets porte sur les céramiques pour l’optique et les lasers, dans l’infrarouge. L’avantage est qu’il s’agit de très bons conducteurs thermiques. Elles permettent aussi de faire rapidement des structures de grandes tailles avec des formes particulières, par opposition aux cristaux dont le temps de croissance est long et qu’il faut tailler. Pour faire un amplificateur laser, on utilise classiquement des cristaux qu’il faut fabriquer. C’est long, et on est limités en taille, ainsi que par les formes. Avec les céramiques, on va plus vite, plus grand. Autre avantage, on peut décider les concentrations à différents endroits de la céramique, quand un cristal est monolithique. Ce sont les avantages des cristaux et du verre, sans l’inconvénient majeur du verre, qui est un isolant thermique, donc qui met du temps à refroidir. Un brevet a été déposé par l’Université de Bordeaux, pour la fabrication de blocs fonctionnels optiques pour l’infrarouge.