Les lasers ultra-intenses et ultra-courts sont des outils puissants utilisés dans divers domaines comme la physique, la sécurité nationale, l’industrie et la santé. Ils permettent aux chercheurs d’explorer en profondeur la physique des lasers à champ fort, les sources de rayonnement induites par laser, l’accélération de particules et bien plus encore.
La «puissance crête» mesure l’intensité de ces lasers, comme le laser Nova (Lawrence Livermore National Laboratory, Californie, États-Unis) avec une puissance crête de 1,5 pétawatts, le Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility (SULF, Chine) avec 10 pétawatts, ou l’Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP, Roumanie) avec une puissance crête de 10 pétawatts.
Ce qui importe réellement dans les expériences reste par contre l’intensité focalisée sur la cible. Les lasers sont focalisés sur des cibles expérimentales à l’aide de miroirs paraboliques hors axe. L’intensité focalisée, et non la puissance crête, reflète la capacité du laser et est cruciale pour les utilisateurs.
Améliorer la focalisation avec des miroirs hyperboliques
Actuellement, l’ouverture du faisceau de ces lasers est de 150 à 500 mm, et le nombre F (lié à la capacité de focalisation) est de 2 à 10. L’ajout d’un miroir hyperbolique rotationnel après le miroir parabolique peut réduire considérablement le nombre F et donc la taille du spot focal.
Comme rapporté dans Advanced Photonics Nexus, cette méthode de focalisation secondaire peut réduire le nombre F d’un facteur 5, ce qui réduit ensuite la taille du spot focal du laser ultra-intense et ultra-court à une taille d’une seule longueur d’onde.
Atteindre le plus petit spot focal possible
L’auteur correspondant Zhaoyang Li du Key Laboratory of Ultra-intense Laser Science and Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (Chine), note que cette technique permet d’obtenir le plus petit spot focal possible : « L’utilisation de miroirs hyperboliques pour une focalisation secondaire peut réduire le spot focal de nos lasers ultra-intenses et ultra-courts d’une taille de plusieurs longueurs d’onde à une taille d’une seule longueur d’onde, atteignant ainsi le plus petit spot focal possible. »
Li et son équipe rapportent que des spots focaux d’une seule longueur d’onde peuvent être obtenus en ajoutant un miroir hyperbolique rotationnel optimisé aux lasers femtosecondes de classe pétawatt actuels ou aux futurs lasers de classe pétawatt à cycle unique.
« En combinaison avec notre méthode Wide-angle Non-collinear Optical Parametric Chirped Pulse Amplification (WNOPCPA) proposée précédemment, on s’attend à atteindre la condition d’intensité la plus élevée d’une installation laser ultra-intense et ultra-courte, c’est-à-dire en focalisant toute l’énergie laser dans un cube focal spatio-temporel bordé par la longueur d’onde centrale du laser. Cela améliorera considérablement la capacité expérimentale des lasers ultra-intenses et ultra-courts dans l’application de la physique des lasers à champ fort, comme l’électrodynamique quantique du vide », déclare pour conclure Zhaoyang Li.
Légende illustration : Focalisation secondaire avec hyperbole après parabole. Crédit : Zhaoyang Li, doi 10.1117/1.APN.3.3.036002
Article original par Z. Li, et al., “Single-wavelength size focusing of ultra-intense ultrashort lasers with rotational hyperbolic mirrors,” Adv. Photon. Nexus 3(3) 036002 (2024), doi 10.1117/1.APN.3.3.036002
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