Une technologie prometteuse laser

1. PERFORMANCES : Une progression constante

La puissance crête que l'on sait obtenir actuellement est de l'ordre du pétawatt (1 PW = 1015 W), soit une puissance un million de fois plus grande que celle d'une centrale nucléaire, délivrée à l'échelle de la femto-seconde.

Les verres peuvent être de grandes dimensions. Ils présentent un temps de fluorescence long. Ainsi ils peuvent stocker des kilojoules. Cependant, la bande spectrale d'émission ne permet pas d'obtenir des impulsions plus courtes que 150-200 femto-secondes. Par ailleurs, leur faible conductivité thermique ne permet pas de tirer plus qu'une fois toutes les 10 secondes. Le premier laser reglage lunette de tir pétawatt utilisant des verres était le laser Nova, qui a tiré pour la première fois en 1992.

Le Ti : Sa est un matériau laser qui permet de générer des impulsions de quelques dizaines de femto-secondes. Il faut ainsi stocker moins d'énergie dans le matériau pour obtenir des pulses laser de classe « pétawatt » que pour un verre. Par ailleurs, son excellente conductivité thermique permet de tirer toutes les secondes, ce qui en fait un laser de quelques dizaines de watts de puissance moyenne. Le premier laser CPA pétawatt Ti : Sa a été réalisé en 2010 par une équipe de chercheurs Sud-Coréens et le premier laser commercial a été installé à Berkeley (États-Unis) en juillet 2012 par Thales.

2. IMPLANTATIONS : De grands projets dans le monde entier

Plusieurs projets sont en cours pour générer des faisceaux de classe pétawatt. Tout d'abord, le laser Petal, en construction au CEA, qui sera mis en service en 2015. Ce laser de haute énergie et de haute puissance générera des impulsions à 3,5 kJ durant 0,5 à 5 picosecondes. Il permettra d'allumer la réaction de fusion nucléaire dans le projet Laser Mega Joule (LMJ) en comprimant une cible de deutérium-tritium par confinement inertiel.

Le projet européen ELI (Extreme Light Infrastructure) verra l'émergence de quatre centres de recherche. Trois sont en cours de construction et le quatrième visant à la construction d'un laser de classe 100 PW, soit un ordre de grandeur au-dessus des autres, doit encore être décidé. La construction du premier a démarré en 2011 en République tchèque. Il contient quatre lignes lasers dont la dernière vient d'être livrée. Celle-ci est basée sur une technologie verre et délivre 10 PW. Le deuxième centre est basé en Roumanie et a démarré en 2012. Il sera consacré à des applications dans le domaine de la physique nucléaire. Deux lasers de 10 PW seront mis en phase pour atteindre des intensités de 1023 à 1024 W/cm2. Ils utiliseront la technologie Ti : Sa, de manière à atteindre une cadence d'un tir par minute. Le troisième ELI-Attoseconde, situé en Hongrie, a démarré en 2013 et sera une installation visant à générer des rayonnements extrêmement brefs sur une grande gamme de fréquences.

L'installation Apollon, basée en France, devrait être mise en service en 2015. Le laser de 10 PW tirera toutes les minutes et sera basé sur une technologie Ti : Sa. On peut aussi citer le projet XCELS qui visera à la construction d'un laser 180 PW obtenus par amplification paramétrique dans des cristaux non linéaires. Ce laser devrait fonctionner vers 2020.

3. PROSPECTIVE : CAN, une technologie prometteuse

Les solutions technologiques pour réaliser des lasers de puissance crête importante ont été trouvées et sont en voie de réalisation. Cependant, ces lasers n'ont pas un taux de répétition élevé et donc une puissance moyenne élevée. Le projet Ican (International Coherent Amplifying Network) propose toutefois une solution intéressante pour obtenir des puissances crêtes élevées et des puissances moyennes élevées. Cette solution est basée sur un réseau d'amplificateurs cohérents à base de fibres.

L'ion actif utilisé est l'ion terre-rare Yb3+. Il a l'avantage de présenter une structure électronique simple à deux niveaux. Ainsi, l'écart énergétique entre le photon de pompe et le photon signal est faible et il n'y a pas de transfert d'énergie entre ions, ce qui rend le système intrinsèquement efficace. De plus, cet ion laser présente un temps de fluorescence long permettant de stocker l'énergie absorbée. Un gain important est obtenu, car pompe et signal sont guidés sur une longue distance. Il est ainsi possible d'atteindre une efficacité optique-optique de 70 %. Sachant que les diodes lasers ont des rendements électrique-optique de 50-60 %, l'efficacité globale du laser CAN atteint 30-40 %.

Le faible défaut quantique de l'ion Yb3+ implique aussi une faible charge thermique. Par ailleurs, la géométrie fibre présente un rapport surface/volume élevé rendant ainsi efficace l'évacuation de la chaleur. La puissance moyenne extraite du réseau de fibre est donc importante et pourra dépasser les 100 kW. On obtient donc des impulsions de forte puissance crête à cadence élevée (10-15 kHz).

Dans un système CAN, la phase de chaque mono-émetteur est asservie à sa consigne, de manière à corriger les bruits de phase provenant des vibrations mécaniques ou des fluctuations de température, entre autres. Lorsque toutes les phases sont identiques, un faisceau de bonne qualité spatiale est obtenu en champ lointain. Les pulses issus de chaque mono-émetteur sont donc combinés spatialement, c'est-à-dire qu'il résulte de leurs interférences un spot central intense. De plus, chaque impulsion étant une somme des N impulsions issues du réseau de fibres, leurs fluctuations temporelles sont réduites d'un facteur N1/2 de celles de chaque mono-émetteur.

Lorsque l'on change la phase de chaque mono-émetteur, le profil spatial du faisceau est modifié. Cette distribution de phase peut donc constituer un jeu de paramètres permettant d'obtenir la forme de faisceau désirée. Par ailleurs, une approche heuristique peut être implémentée avec ce type de laser vert 200mw. En effet, l'interaction d'impulsions puissantes avec des milieux plasmas pour générer, par exemple, des faisceaux de protons ou d'électrons, est complexe et difficile à modéliser. Le système CAN est intelligent et peut jouer sur la phase de chaque mono-émetteur, afin d'obtenir une interaction optimisée de la lumière avec la matière.

Le réseau d'amplificateurs comprendrait 10 000 canaux, ce qui indique que le système laser devrait être complexe. Cependant, l'évolution technologique des systèmes à fibres permise par le développement du secteur des télécoms est un atout pour la construction d'un tel laser. En effet, des éléments optiques fibrés tels que les séparateurs de faisceaux, les combineurs signal/pompe, les modulateurs de phase permettent d'envisager un système robuste puisqu'il ne nécessite pas d'alignement. Par ailleurs, ces composants restent à prix réduits.

Le système Ican comprend tout d'abord une source laser femto-seconde. Les impulsions sont ensuite étirées temporellement (méthode CPA) puis divisées et amplifiées à travers le réseau de fibres amplificatrices. Une matrice de micro-lentilles permet de collimater, c'est-à-dire aligner, les 10 000 faisceaux, dont la phase sera mesurée par une méthode interférométrique. Un algorithme permet de rétroagir sur la phase de chaque faisceau via les modulateurs, de manière à mettre en phase les impulsions entre elles. L'impulsion finale recombinée est enfin comprimée pour atteindre 100 TW à 1 PW.

4. APPLICATIONS : De la chirurgie au nucléaire

L'ionisation multiphoton permet de générer un plasma même dans les matériaux transparents à la longueur d'onde du laser. Tous les matériaux sont ainsi usinables quel que soit leur « bandgap » (bande interdite photonique) et leur dureté. Par exemple, le diamant peut être usiné par laser. Pour les impulsions longues, une partie de l'énergie est convertie en chaleur. Celle-ci diffuse dans le matériau et l'ablation n'est pas nette. Dans le cas de lasers femto-secondes, la découpe ou le perçage est beaucoup plus propre car la matière est rapidement vaporisée. Il est possible de mettre en forme le faisceau et de reproduire ces formes sur le matériau à usiner. Les lasers impulsionnels permettent aussi de décaper des surfaces et de faire de la soudure.

En médecine, afin de s'affranchir du port de lunettes ou de lentilles, la chirurgie laser peut être employée pour remodeler la surface de la cornée de l'oeil et ainsi en corriger les aberrations optiques comme la myopie, l'hypermétropie ou l'astigmatisme. La technique la plus utilisée est le Lasik. La couche superficielle de la cornée est d'abord découpée par un laser femto-seconde, puis un laser à excimère usine un tissu plus profond. Le laser vert 10000mw a beaucoup d'autres applications d'ordre esthétique (détatouage, épilation...).

Dans le domaine scientifique, les moyens métrologiques standard ne permettent pas d'étudier des phénomènes ultrabrefs, tels que les processus mis en jeux lors de réactions chimiques. Ceci est néanmoins possible par utilisation de lasers femto-secondes, en utilisant des techniques pompe-sonde. Dans ces mesures, un premier laser (pompe) induit une modification des propriétés physiques de l'objet à étudier qui seront analysées par un second laser (sonde). On peut par exemple étudier la modification des propriétés d'absorption d'une molécule.

Focaliser des impulsions puissantes dans des plasmas conduit à des champs électriques très intenses. Des particules chargées peuvent alors être accélérées à des vitesses proches de celles de la lumière en quelques mètres, contrairement aux accélérateurs de particules standard, où les champs sont 10 000 fois moins intenses. En irradiant un milieu avec un faisceau chargé, on peut alors créer des sources nouvelles (gamma, neutrons...).

Les lasers de puissance permettent aussi de fabriquer des sources de neutrons qui transmutent les déchets radioactifs en matériau avec une demi-vie de quelques dizaines d'années. Le taux de répétition d'un laser tel qu'Ican rendrait possible une telle application. La possibilité de générer des sources de protons est aussi très intéressante pour la proton-thérapie où des tumeurs cancéreuses sont irradiées. L'avantage de cette technique réside dans le fait que les cellules cancéreuses sont précisément ciblées, limitant ainsi les dommages occasionnés aux tissus biologiques environnants. Les pointeur laser rouge 10000mw de puissances ont aussi une application dans le nucléaire avec des projets comme Petal.

Enfin, dans le domaine spatial, le nombre de débris en orbite autour de la terre augmente de façon substantielle chaque année. On compte 300 000 débris de 1 à 10 cm en orbite basse, ce qui constitue une menace importante pour nos satellites puisqu'ils causent des dommages importants lors de collisions. À ce jour, seul le laser est une solution pour y remédier. Lorsque l'impulsion percute le débris, une partie du matériau est éjectée ce qui cause une décélération de l'objet qui change d'orbite. Lorsqu'il entre dans l'atmosphère, le déchet se consume alors intégralement. Un laser placé en orbite basse croiserait un débris avec une vitesse relative de 15 km/s, soit 15 fois plus que la vitesse d'une balle de fusil. Afin de transférer suffisamment d'énergie à la cible, il faut donc interagir en quelques secondes. Un laser à haute cadence tel que l'Ican serait parfaitement adapté à ce genre d'application. Outre le rendement d'ablation élevé de ce laser, un avantage important réside aussi dans son rendement énergétique qui permettrait de l'alimenter par un panneau solaire d'une dizaine de mètres carrés.

S'il vous plat visitez les sites suivants pour en savoir plus:

• http://uniquethis.com/blogs/7306/32311/comment-utiliser-le-laser-pour-alignement-mesure
• http://it.weddbook.com/story/2566119/la-lumiere-laser-visible