Laser Apollon : record mondial de puissance attendu en 2016

La chaîne laser a été installée dans l’ancien bâtiment de l’accélérateur linéaire de Saclay, au cœur de la nouvelle Université Paris-Saclay. Elle sera complétée par deux salles expérimentales où seront explorées les frontières de la physique. L’installation est inaugurée le 29 septembre 2015.

Apollon deviendra cette année le laser le plus puissant du monde, avec ses 5 PW (1/35e de la puissance solaire reçue par la Terre). À terme, ce laser devrait atteindre une puissance de 10 PW. Grâce à son intensité lumineuse extrême, il produira des faisceaux de particules et des rayonnements aux paramètres inégalés, permettant de repousser les limites de la recherche fondamentale. Ouvert à la communauté scientifique nationale et internationale à l’horizon 2018, et intégré dans le Centre interdisciplinaire lumière extrême (Cilex), Apollon sera un instrument de choix pour explorer des domaines nouveaux, certains jusqu’ici essentiellement théoriques, de la physique relativiste3 à la physique du vide, en passant par de nouvelles technologies d’accélération des particules et d’analyse de la matière.

Apollon, vers le laser le plus puissant au monde

Apollon est un laser conçu pour atteindre la puissance encore inégalée de 10 pétawatts (PW). Fin 2016, il sera déjà le laser le plus puissant au monde. En 2018, l’installation complète ouvrira à la communauté internationale, pour des recherches sur la physique à très haute intensité : générer des sources de protons ou d’électrons accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière, étudier l’interaction rayonnement-matière à des intensités extrêmes ou reproduire en laboratoire des mécanismes astrophysiques violents (comme les supernovae, les pulsars ou les sursauts gamma), sonder la matière avec une résolution temporelle ultime, ou encore explorer les propriétés physiques du vide. Avec, à la clé de ces recherches, des applications sociétales potentielles en médecine (imagerie, traitement des cancers) ou dans le traitement des déchets nucléaires.

Pour atteindre ce record de puissance, Apollon combinera une énergie élevée (150 joules) et une durée d’impulsion extrêmement courte (15 femtosecondes).

Un défi technique

Pour des lasers de cette ampleur, il a fallu repousser les limites technologiques actuelles dans plusieurs domaines, en particulier pour les optiques de grand diamètre. Parmi celles-ci, on peut citer la fabrication de cristaux de titane-saphir d’un seul tenant et de qualité optique parfaite jusqu’à au moins 20 centimètres de diamètre, de réseaux de diffraction mesurant 90 centimètres sur 45. Mais aussi de miroirs adaptés à des miroirs adaptés à des faisceaux de 400 millimètres de diamètre (comparés à environ 100 mm pour des faisceaux de 1 PW), d’un planétité remarquable – l’ensemble de la surface de ces grands optiques doit être plane à moins d’une petite fraction de micromètre près ± et fonctionnant sur une gamme spectrale très large (700 à 900nm) des intensités lumineuses très élevées et résister à un grand nombre de tirs laser.

En ce qui concerne le schéma de la chaîne d’amplification laser, obtenir des impulsions ultra brèves à haute puissance nécessite de contrôler toutes les propriétés optiques du faisceau, comme sa planéité et sa largeur spectrale avec une précision remarquable. L’obtention de l’énergie finale en une seule chaîne d’amplification est en soi un autre défi qui a nécessité un grand nombre d’études préalables et la validation de nouveaux concepts.

La mesure précise des propriétés de ce type de faisceaux, qui ne peut se propager dans l’air ni traverser de matière sans que sa qualité optique soit irrémédiablement perdue, est un problème complexe qui suscite encore de nombreux travaux et conduit au développement de nouveaux instruments sophistiqués.

* Un micromètre (µm) équivaut au millième du millimètre.
* 1 PW vaut 1 million de milliards de watts.
* Institut d’Optique Graduate School, ENSTA ParisTech, Université Paris-Sud, UPMC.
* Fonctionnement de la matière lorsque les particules se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière.

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