Des chercheurs ont conçu le laser de plus haute intensité au monde : 100 trilliards de watts par cm²

realisation laser plus puissant monde
| Pixabay

Après deux décennies d’efforts menés dans plusieurs instituts de physique à travers le monde, des chercheurs du Centre pour la science des lasers relativistes (CoReLS) de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) en Corée du Sud, ont atteint une intensité laser sans précédent avec leur dispositif expérimental. Le laser a pu produire une puissance de 1023 watts (100 trilliards de watts) concentrée sur un centimètre carré ! Une première mondiale, qui permettra d’explorer de nouveaux phénomènes se produisant dans des conditions physiques extrêmes.

Les lasers à ultra-haute intensité sont des outils de recherche importants, utilisés dans plusieurs domaines scientifiques, notamment pour l’exploration de nouveaux phénomènes physiques. Depuis la démonstration d’un laser d’une intensité de 1022 W/cm² par une équipe de l’université du Michigan en 2004, la réalisation d’un laser d’une intensité supérieure à 1023 W/cm² a été étudiée et tentée pendant près de 20 ans.

L’obtention d’un tel niveau d’intensité laser ultra-haute nécessite deux éléments clés : un laser d’une puissance de sortie extrêmement élevée, et la focalisation du faisceau laser sur le plus petit point possible. Alors que les lasers à ondes continues sont limités à une intensité de l’ordre du mégawatt, une puissance de sortie de pointe bien plus élevée (de l’ordre du pétawatt) est possible dans les systèmes laser pulsés, en délivrant l’énergie sur une échelle de temps aussi courte que la femtoseconde (10-15 seconde).

Un effort de longue date mettant en commun plusieurs techniques innovantes

Pour développer le laser le plus puissant au monde, plusieurs installations laser à ultra-haute puissance avec des puissances de sortie de 10 PW (pétawatts ; 1015 watts) et plus, comme ELI (UE), Apollon (France), EP-OPAL (États-Unis) et SEL (Chine), ont été construites ou sont en projet. Une étude récente de l’université d’Osaka a même proposé un prototype pour un laser de classe exawatt (1018 watts). Parallèlement, l’équipe du laser CoReLS exploite un système laser 4-PW depuis 2016. Cette année, en avril 2021, ils ont finalement atteint le record de 1023 W/cm² en concentrant étroitement le faisceau laser multi-PW. Les résultats détaillés ont été publiés dans la revue Optica.

Plusieurs techniques spéciales ont été employées pour réaliser cet exploit. L’intensité de la puissance a été maximisée à l’aide d’une optique de focalisation appelée miroir parabolique hors axe, qui a été utilisée pour concentrer un faisceau laser de 28 cm sur un point de seulement 1,1 micromètre de large. Une telle focalisation étroite limitée par la diffraction ne peut être obtenue qu’avec un faisceau laser propre sans distorsion du front d’onde. L’équipe du laser CoReLS a donc rendu son faisceau laser PW aussi propre que possible en utilisant un ensemble de miroirs déformables pour corriger la distorsion du front d’onde du laser PW.

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vue panoramique laser CoReLS PW
Vue panoramique du laser CoReLS PW, sur laquelle on peut y voir son agencement. © Institute for Basic Science

Le laser CoReLS 4-PW est un laser Ti:saphir femtoseconde de très haute puissance, basé sur la technique d’amplification d’impulsion chirpée (CPA). Une impulsion laser femtoseconde de faible énergie provenant du frontal a été étirée en une impulsion nanoseconde par un étireur d’impulsion. L’impulsion laser initiale a ensuite été amplifiée à 4,5 J (joules) par les deux amplificateurs de puissance, puis jusqu’à 112 J par les deux amplificateurs d’appoint.

La taille du faisceau laser a augmenté le long du trajet du faisceau grâce à une série d’élargisseurs de faisceau : 25 mm juste après les amplificateurs de puissance, 65 mm à l’entrée du 1er amplificateur booster, 85 mm à l’entrée du 2e amplificateur booster, et 280 mm à l’entrée du compresseur d’impulsions. Dans le compresseur d’impulsions, l’impulsion laser a été recomprimée à 20 fs (femtoseconde), ce qui a permis de faire passer sa puissance maximale à 4 PW après la compression.

disposition laser corels schema
Disposition du laser CoReLS pétawatt et du système expérimental permettant d’atteindre une intensité laser de plus de 1023 W/cm², y compris le dispositif permettant de contrôler le front d’onde et de mesurer l’intensité. BS : séparateur de faisceau ; DM1-2 : miroirs déformables ; EM : compteur d’énergie ; OAP : miroir parabolique hors axe f/1,1 ; OL : lentille d’objectif ; WFS1-2 : capteurs de front d’onde. © Institute for Basic Science

Corriger les aberrations optiques

Afin de compenser la distorsion du front d’onde du faisceau laser PW, deux miroirs déformables ont été utilisés dans la ligne de faisceau laser PW. Le premier miroir déformable (DM1), d’un diamètre de 100 mm, a été installé après l’amplificateur d’appoint final, son rôle étant de corriger la distorsion du front d’onde accumulée entre l’extrémité avant et l’expandeur de faisceau final.

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Le second miroir déformable (DM2), d’un diamètre de 310 mm, a été installé après le compresseur d’impulsions. Son rôle est de corriger les aberrations supplémentaires induites par les optiques à grande ouverture du compresseur d’impulsions, de la ligne de distribution du faisceau et de la zone cible. Dans la chambre cible, le faisceau laser PW a été étroitement focalisé à l’aide d’un miroir parabolique hors axe de focale f/1,1, qui possède une longueur focale effective de 300 mm.

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Pour l’imagerie et la caractérisation du point focalisé, le faisceau focalisé a été collimaté par une lentille d’objectif. Il a ensuite été divisé en deux faisceaux avec un séparateur de faisceau pour la tache focale et la caractérisation du front d’onde. Une caméra a été utilisée pour le suivi du point focal du faisceau laser transmis, et un capteur de front d’onde a été utilisé pour mesurer le front d’onde du faisceau laser réfléchi.

tache focale 3d mesuree intensite laser
Image de la tache focale 3D mesurée, montrant l’intensité du laser de 1,4 x 1023 W/cm². © Institute for Basic Science

Approfondir nos connaissances de la physique et de l’Univers

« Ces travaux ont montré que le laser PW du CoReLS est le laser le plus puissant au monde. Avec l’intensité laser la plus élevée jamais atteinte, nous pouvons nous attaquer à de nouveaux domaines difficiles de la science expérimentale, notamment l’électrodynamique quantique à champ fort (QED), qui a été traitée principalement par des théoriciens. Nous pouvons explorer de nouveaux problèmes physiques de diffusion électron-photon (diffusion Compton) et de diffusion photon-photon (processus Breit-Wheeler) dans le régime non linéaire. Ce type de recherche est directement lié à divers phénomènes astrophysiques qui se produisent dans l’univers et peut nous aider à élargir encore notre horizon de connaissances », explique le professeur NAM Chang Hee, directeur du CoReLS.

Source : Optica

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