L’accélération ionique par laser utilise des flashs laser intenses pour chauffer les électrons d’un solide à des températures énormes et propulser ces particules chargées à des vitesses extrêmes. Ces lasers ont récemment gagné en popularité pour des applications de destruction sélective de cellules tumorales cancéreuses, de traitement de matériaux semi-conducteurs et, en raison de leurs excellentes propriétés, pour l’imagerie et les conditions de fusion.
Des systèmes laser massifs avec plusieurs joules d’énergie lumineuse sont nécessaires pour irradier les solides à cette fin. Cela produit un flash d’ions qui sont accélérés à des vitesses extrêmes. Il est donc possible d’émuler de grands accélérateurs de millions de volts dans l’épaisseur d’une mèche de cheveux.
Ces lasers sont généralement limités à quelques éclairs par seconde pour éviter la surchauffe et l’endommagement des composants du laser. Les accélérateurs d’ions pilotés par laser sont donc limités à des applications de démonstration dans de grandes installations expérimentales. On est loin des applications réelles qui exigent que les éclairs d’ions à grande vitesse soient disponibles beaucoup plus fréquemment.
De petits lasers fournissant plusieurs milliers d’éclairs sont couramment présents dans de petits laboratoires universitaires, fonctionnant à un millième de Joule d’énergie d’impulsion laser. Les mécanismes connus d’accélération des ions par laser permettent de prédire qu’une accélération des ions de quelques kilovolts est possible dans ces conditions. Cette valeur est bien inférieure aux ions de la gamme MeV produits par les lasers à grande échelle. Ce compromis constitue un défi fondamental pour le développement de sources d’ions à taux de répétition élevé.
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Dans une étude récente publiée dans Physical Review Research, S.V. Rahul et Ratul Sabui du TIFR Hyderabad, sous la direction du professeur M. Krishnamurthy, ont comblé cette lacune en produisant des protons d’une énergie de l’ordre du mégavolt à l’aide de lasers de quelques millijoules, répétés un millier de fois par seconde. Ils tirent parti d’un obstacle bien connu aux systèmes d’accélération ionique par laser, à savoir les préimpulsions. Les préimpulsions sont de petites rafales d’énergie laser précédant une impulsion laser intense. Elles apparaissent dans les systèmes laser en raison de diverses imperfections. Le processus d’accélération ionique repose sur le principe d’une seule impulsion laser intense qui chauffe une cible. Cependant, les pré-impulsions altèrent prématurément la surface du solide, détruisant même souvent les fines caractéristiques qui y sont présentes. Des systèmes dédiés sont souvent nécessaires pour supprimer les préimpulsions, ce qui ajoute à la complexité et limite l’évolutivité. Au lieu de supprimer la pré-impulsion, le groupe TIFRH a démontré une méthode permettant d’exploiter ses effets.
Dans leurs expériences, la pré-impulsion sculpte une cavité creuse dans une microgouttelette liquide, créant un plasma de faible densité. Celui-ci devient un terrain fertile où les impulsions laser sont absorbées pour entraîner une paire d’ondes gigantesques dans le plasma. Ces ondes ont tendance à s’effondrer rapidement au fur et à mesure qu’elles se déplacent, libérant des rafales d’électrons énergétiques. Ces électrons sont finalement responsables de l’accélération efficace des protons à des centaines de kilovolts. En fonctionnant mille fois par seconde et en utilisant des impulsions laser d’une énergie de l’ordre du millijoule, l’approche permet une accélération efficace des ions. Sans nécessiter des intensités laser extrêmes ou la suppression des pré-impulsions parasites, cette approche ouvre la voie à des accélérateurs d’ions pilotés par laser à taux de répétition élevé sur les tables des laboratoires universitaires.
Article : « High-repetition rate ion acceleration driven by a two-plasmon decay instability » – Auteurs : S. V. Rahul, R. Sabui, R. M. G. M Trines, R. Gopal, A. Mondal, T. Sairam, D. Sahu, S. Khanna, A. Robinson and M. Krishnamurthy. Journal: Physical Review Research – DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.013240
