Les lasers à haute intensité

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Les lasers à haute intensité

Ces systèmes laser délivrent des impulsions lumineuses énergétiques en un temps très court (quelques femtosecondes). Leur principe de fonctionnement repose sur la technique d’amplification à dérive de fréquence ou Chirped Pulse Amplification (CPA). La puissance crête atteinte par ces impulsions laser se situe entre quelques TeraWatt et 10 PetaWatt pour les installations les plus puissantes.

Ces installations permettent d’accéder à des régimes d’interaction lumière-matière inédits. On parle parfois d’optique relativiste car la vitesse des électrons au cours de leur oscillation dans le champ laser peut atteindre une fraction importante de la vitesse de la lumière. Citons quelques champs de recherche:

  • Accélération d’électrons par laser
  • Production de faisceaux d’ions
  • Production de rayonnement incohérent (rayons X K-alpha, betatron, Compton)
  • Production de rayonnement Extrême ultraviolet cohérent cohérent et ultrabrefs (femtoseconde voire attoseconde) par génération d’harmoniques d’ordre élevé ou miroirs relativistes
  • Physique atomique en champ fort et dans des plasmas hors équilibres (plasmas amplificateurs laser)
  • Expériences pompe-sonde à haute résolution spatiale et temporelle.
  • Filamentation dans l’air, guidage de décharges électriques artificielles et naturelles (foudre)
  • Utilisation des effets d’optique non-linéaires d’un plasma pour concevoir des éléments de la chaîne laser.
  • Electro-dynamique quantique (QED) en champ fort (polarisation du vide, génération de paires electrons-positrons…)

Dans le périmètre de Paris-Saclay

L’environnement de Paris-Saclay présente une nombre important de lasers de puissance et une communauté de chercheurs très active.

En outre, certaines installations permettent de générer des sources secondaires de rayonnement (incohérent et cohérent) ou de particules (electrons, protons, ions) utilisables pour des expériences scientifiques.

En France

Plusieurs laboratoires mettent en oeuvre des plateformes lasers de puissance pour la recherche fondamentale, les applications médicales et le process des matériaux ou des surfaces

  • LP3 à Marseille
  • Le CELIA à Bordeaux
  • La ligne PETAL du laser mégajoule

En Europe

Il existe un grand nombre de laboratoires mettant en oeuvre des lasers de puissance en Europe, ils sont trop nombreux pour être cité ici. L’Europe mène des actions structurantes dans ce domaine.

Le réseau Laserlab Europe fédère les efforts de recherche et permet de mutualiser les demandes de temps de faisceau sur les installations laser du réseau. Il contribue également à la formation des jeunes chercheurs.

Le consortium européen ELI a permis la construction de trois installations de pointe:

  • ELI-Beamline en République Tchèque (production de sources secondaires pour les utilisateurs)
  • ELI-ALPS en Hongrie, tournée vers l’exploration de la  physique attoseconde
  • ELI-NP en Roumanie, se concentre sur la physique nucléaire par laser et la physique à très haute intensité (2x10PW)

Dans le monde

Citons quelques exemples emblématiques

  • Le laser BELLA à Berkeley (USA) qui a récemment démontré l’accélération par sillage plasma d’électrons à 10GeV
  • l’installation MEC du LCLS: Ce laser de puissance est situé sur l’une des lignes du laser X à électrons libre LCLS. Ceci permet de combiner ces deux sources de lumière pour produire et étudier la matière en condition extrême.