Applications des sources

Les objectifs scientifiques du LOA sont guidés par le formidable champ d’applications en science fondamentale et applicative auquel la physique de l’interaction entre un laser femtoseconde intense et la matière peut amener.

Le faisceau laser, mais également les faisceaux de particules et de rayonnements que produisent l’interaction, ont des propriétés uniques (compacité de l’infrastructure, brièveté extrême, cohérence, intensité, taille de source micrométrique ou inférieure) qui doivent être exploitées avec, dans certains cas, un impact industriel et sociétal marqué.

Le LOA développe ainsi une série d’applications passionnantes dans plusieurs domaines scientifiques.

 

         

 

En physique

Nous exploitons la durée d’impulsions ultrabrèves afin d'obtenir des résolutions temporelles ultimes pour révéler les dynamiques les plus rapides de la matière (électron, atome, molécule, structure) , et les états transitoires ultrabrefs restant inobservables avec les techniques traditionnelles. Ces temps caractéristiques sont une fraction de femtoseconde (1 fs = 10-15 s) pour les électrons (temps de révolution d’un électron du niveau d’énergie fondamental d’un atome d’hydrogène : 152 attosecondes (1 as = 10-18 s) et quelques dizaines de femtosecondes pour les atomes (période typique d’oscillations des phonons optiques).

Nous utilisons principalement la technique de spectroscopie résolue en temps pour laquelle une impulsion déclenche la réaction à analyser, et un deuxième faisceau (laser, particule ou rayonnement énergétique produit par laser) vient sonder la réaction avec différents retards. Ces résolutions temporelles nécessitent une parfaite synchronisation entre les différents faisceaux, ce que la technique laser rend possible.

Le LOA a réalisé plusieurs percées scientifiques dans ce domaine, notamment les études de diffraction X femtoseconde. Nous étudions la dynamique d’agrégats, de domaines magnétiques, de phonons dans les matériaux fortement corrélés et supraconducteurs. L'intensité élevée de ces sources secondaires permet également d'étudier la physique de l'interaction dans de nouveaux régimes (physique non linéaire dans le domaine XUV et X par exemple).

 

Nous exploitons les tailles de sources micrométriques du rayonnement X, les plus petites jamais produites en laboratoire, pour développer la technique d’imagerie par contraste de phase, ou pour sonder des plasmas denses et chauds. La possibilité de générer du rayonnement au delà de plusieurs dizaines de keV et MeV pouvant pénétrer dans la matière très dense va nous permettre de sonder des plasmas de fusion ou exciter des transitions nucléaires. L’accès aux sources de durée zeptosecondes (1 zs = 10-21 s) permettrait d’avoir accès, pour la première fois, et de manière directe, aux dynamiques des particules à l’intérieur du noyau.

 
 

Nous utilisons également les propriétés d’autofocalisation et de propagation dans l’air sous forme de filaments plasmas d’un laser femtoseconde intense pour développer des techniques de détection de poluants atmosphèriques par LIDAR ou pour la protection et le guidage de la foudre (partenariat avec EDF). Ces filaments sont également testés pour établir des transports d’énergie sans contact pour l’alimentation des motrices (partenariat avec SNCF).

 

Le laser femtoseconde intense est utilisé pour maitriser les trajectoires des décharges électriques comme la foudre. Le canal plasma généré par le laser dans son sillage se propage dans l'air sur de longue distance et permet de capturer puis  guider la décharge.

 

Radiographie haute résolution d'une capsule d'un matériau dense avec une source de rayonnement gamma produite par interaction laser femtoseconde intense avec la matière. La taille de source permet d'atteindre des résolution aussi petite que quelques dizaines de micromètres dans la gamme du rayonnement gamma.

 
 

En médecine

Le traitement des tumeurs cancéreuses par protonthérapie laser offre la possibilité de forte dissémination vers les hôpitaux, à la différence des systèmes classiques basés sur l’accélération radiofréquence qui nécessitent la construction de grandes infrastrutures. Un programme de recherche multidisciplinaire soutenu par OSEO a été lancé mi-2009 au LOA avec des partenaires acad&eacut;miques et industriels.

 

          

 

De même, l’imagerie haute résolution avec les faisceaux de rayons X (laser à électron libre plasma et synchrotron laser) pourrait permettre un diagnostic précoce de tumeurs grâce à leur cohérence et très petite taille de source.

La chirurgie des yeux par laser femtoseconde est également étudiée au LOA en optimisant les greffes de la cornée par manipulation du front d'onde laser, en développant des procédés de traitement du glaucome avec imagerie par cohérence optique in situ, et en proposant des techniques d’imagerie optique de tissus du segment antérieur.

 

L'ablation de tissus par laser femtoseconde permet de développer des techniques de chirurgie des yeux très efficace. Le LOA travaille en particulier sur le glaucôme, et la manipulation du faisceau laser pour développer de nouvelles techniques d'imagerie et optimiser l'interaction laser-tissus.

 

Au contraire du rayonnement X, les protons permettent de déposer leur énergie de manière localisée dans les tissus, ce qui permet une destruction de certaines tumeurs cancéreuses sans altérer les tissus sains environnants. L'utilisation d'un laser intense femtoseconde permettrait de construire des instruments compact et d'un coût réduit en comparaison des techniques existantes.

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