Laser ultrabrefs intenses

Le développement de lasers ultrabrefs est en plein essor dans les laboratoires de recherche internationaux. Un tel engouement s’explique par la capacité de ces techniques à pouvoir produire des impulsions les plus brèves jamais produites en laboratoire, de l’ordre de grandeur de la femtoseconde (1 femtoseconde = 10-15 seconde), ce qui correspond à une petite galette de particules (photons) d’épaisseur de l’ordre du micromètre (10-6 m). Cette propriété ouvre de très larges perspectives dans de nombreuses thématiques en sciences fondamentales et applicatives.

 

 

 

Elle offre notamment une chance unique pour étudier la matière dans des régimes inexplorés. Un premier exemple est la possibilité d’effectuer un formidable zoom temporel sur l’étude de dynamique de la matière en biologie, chimie, physique moléculaire, physique atomique, physique du solide, et révéler les mouvements fondamentaux les plus rapides des électrons, atomes et molécules. Un autre exemple est de profiter de ces durées d’impulsion brèves pour obtenir des intensités laser élevées avec des systèmes les plus compacts possibles [ Intensité = énergie/(durée x diamètre du faisceau) ]. Les intensités laser à laquelle une cible peut être irradiée deviennent telles que la matière est placée dans des états d’excitation fortement hors équilibre avec notamment des propriétés de propagation particulières, la production de plasmas, ainsi que la génération de sources secondaires ultrabrèves de faisceaux de rayonnements couvrant une gamme spectrale du THz au gamma ou de particules énergétiques (électrons, protons, neutrons, ions).

 

 

Plus l’énergie contenue dans un faisceau laser est élevée, moins l’instrument est compact et moins la cadence de répétition est élevée. La taille de ces systèmes varie ainsi de la simple table de bureau à des bâtiments entiers de plusieurs centaines de m2. Le LOA développe et utilise plus particulièrement des systèmes lasers de 0.1 Hz, 10 Hz et 1 kHz, délivrant des énergies de quelques mJ (10-3 Joules) à plusieurs dizaines de Joules à des longueurs d’ondes dans le spectre du rayonnement visible et proche infra-rouge.

 

Le principe du laser femtoseconde intense est basé sur la technique de l'amplification à dérive de fréquence. Des systèmes dispersifs spectraux, tels que les réseaux, sont utilisés pour étirer temporellement une impulsion laser pour qu'elle puisse être amplifiée sans que la densité d'énergie du laser ainsi atteinte n'endommage les éléments optiques présents dans la chaine laser. Elle est ensuite recomprimée temporellement à l'aide d'un système conjugué avant d'être focalisée sur une cible.

 

Les challenges laser actuels sont multiples. D’un côté, la course à la plus haute puissance est en route avec le développement de laser 10 PW (projet national ILE, dont le LOA est un pilier du programme) et à plus long terme ELI (100 PW). En 2009, des lasers produisant jusqu’à 1 PW avec typiquement des durées d’impulsions de 100 fs et des énergies de 10 J sont disponibles pour les utilisateurs. De l’autre côté, des systèmes beaucoup plus compacts sont développés. Ils sont moins énergétiques, mais de plus haute cadence (jusqu’au kHz) et avec des propriétés de faisceaux uniques : stabilisation en phase, durée de quelques cycles optiques (quelques fs), mise en forme temporelle et spatiale.

 

 


Forte de sa tradition en recherche laser, le LOA participe à cet effort international de manière soutenue en liaison étroite avec les meilleurs centres laser mondiaux et le tissu industriel laser. Il assure à la fois la mise en œuvre d’installations laser pérennes dédiées aux utilisateurs physiciens de l’interaction laser matière, ainsi que la conception des lasers et les études amonts de nouvelles stratégies de développement pour faire sauter les verrous technologiques et scientifiques dans ce domaine d’activité.

 

Elément du dernier étage étage d'amplification d'une chaine laser femtoseconde intense avant recompression temporelle.

 

Plus particulièrement, le groupe LHP développe les amplificateurs de puissances du laser 10 PW du projet ILE et participe à la construction de l’ensemble de la chaine laser PW LUIRE. Il travaille également sur l’étirement temporel et l’amplification large bande spectrale, sur la haute puissance moyenne et le pompage par diode pour augmenter la cadence des systèmes haute énergie.

Le groupe SELF assure l’exploitation de plusieurs systèmes laser du LOA, est responsable de la construction du laser PW LUIRE dans le cadre du projet ILE, et développe des diagnostiques lasers (mesure de durée, de contraste, de profil spatiaux) à la pointe de la technologie.

Le groupe PCO développe un laser kHz d’énergie mJ stabilisé en phase (le premier en France) et travaille notamment sur l’optimisation du contraste laser à partir de techniques d’optique non linéaire.

Le groupe ILM développe des techniques originales de caractérisation de faisceaux ultracourts à partir du processus de filamentation laser.

 

Le système laser le plus intense du LOA est le laser appelé "Salle Jaune". Il permet de réaliser des expériences de physique de l'interaction laser matière à des puissances laser de 70 TW et à une cadence de répétition de 10 Hz. La durée de l'impulsion est de 30 fs.

 

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