Bien que la technologie laser n’a cessé d’évoluer dans le temps, une nouvelle approche pourrait bien opérer une rupture. Les lasers ultra-intenses ultra-courts, déjà utilisés dans divers domaines comme la physique fondamentale, la sécurité nationale, les services industriels et les soins de santé, pourraient voir leur puissance décuplée grâce à une innovation majeure.
Les lasers ultra-intenses ultra-courts ont connu une augmentation spectaculaire de leur puissance maximale, passant du laser «Nova» de 1 pétawatt en 1996 au laser « Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility » (SULF) de 10 pétawatts en 2017, et au « Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics » (ELI-NP) de 10 pétawatts en 2019.
Cette augmentation est due à un changement de milieu de gain pour les lasers à grande ouverture, passant du « verre dopé au néodyme » au « cristal de titane:saphir« . Ce changement a permis de réduire la durée d’impulsion des lasers à haute énergie de 500 femtosecondes (fs) à environ 25 fs.
Il semble en revanche que la limite supérieure pour les lasers ultra-intenses ultra-courts en titane:saphir soit de 10 pétawatts. Actuellement, pour le développement de lasers de 10 à 100 pétawatts, les chercheurs abandonnent généralement la technologie d’amplification d’impulsion chirpée en titane:saphir et se tournent vers la technologie d’amplification d’impulsion chirpée paramétrique optique, basée sur des cristaux non linéaires de phosphate de dihydrogène de potassium deutéré.
Le défi de l’amplification laser
La technologie d’amplification d’impulsion chirpée paramétrique optique, en raison de son faible rendement de conversion de la pompe au signal et de sa mauvaise stabilité spatio-temporelle-spectrale-énergétique, pose un grand défi pour la réalisation et l’application des futurs lasers de 10 à 100 pétawatts.
D’autre part, la technologie d’amplification d’impulsion chirpée en titane:saphir, en tant que technologie mature qui a déjà permis de réaliser deux lasers de 10 pétawatts en Chine et en Europe, a encore un grand potentiel pour le développement de la prochaine génération de lasers ultra-intenses ultra-courts.
Le cristal de titane:saphir est un milieu de gain laser à large bande de type niveau d’énergie. L’impulsion de pompage est absorbée pour créer une inversion de population entre les niveaux d’énergie supérieur et inférieur, ce qui permet le stockage de l’énergie. Lorsque l’impulsion de signal traverse plusieurs fois le cristal de titane:saphir, l’énergie stockée est extraite pour l’amplification du signal laser. Seul bémol, dans le cas du lasing parasitaire transversal, un bruit d’émission spontanée amplifiée le long du diamètre du cristal consomme l’énergie stockée et réduit l’amplification du laser de signal.
Une nouvelle approche pour augmenter la puissance des lasers
Face à ce défi, les chercheurs ont adopté une approche innovante qui consiste à assembler de manière cohérente plusieurs cristaux de titane:saphir. Comme rapporté dans Advanced Photonics Nexus, cette méthode permet de dépasser la limite actuelle de 10 pétawatts des lasers ultra-intenses ultra-courts en titane:saphir, en augmentant efficacement le diamètre d’ouverture de l’ensemble du cristal de titane:saphir assemblé et en tronquant le lasing parasitaire transversal à l’intérieur de chaque cristal d’assemblage.
L’auteur correspondant, Yuxin Leng, de l’Institut de Shanghai d’Optique et de Mécanique Fine, note : « L’amplification laser en titane:saphir assemblé a été démontrée avec succès dans notre système laser de 100 térawatts (c’est-à-dire 0,1 pétawatt). Nous avons obtenu une amplification laser quasi idéale avec cette technologie, y compris des rendements de conversion élevés, des énergies stables, des spectres à large bande, des impulsions courtes et des points focaux petits. »
L’équipe de Yuxin Leng rapporte que l’amplification laser en titane:saphir assemblé de manière cohérente offre une manière relativement facile et peu coûteuse de dépasser la limite actuelle de 10 pétawatts.
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« En ajoutant un amplificateur laser à haute énergie en titane:saphir assemblé de manière cohérente 2×2 dans le SULF de Chine ou l’ELI-NP de l’UE, la puissance actuelle de 10 pétawatts peut être augmentée à 40 pétawatts et l’intensité de crête focalisée peut être augmentée de près de 10 fois ou plus », conclut Yuxin Leng.
En synthèse
La méthode promet d’améliorer la capacité expérimentale des lasers ultra-intenses ultra-courts pour la physique des lasers à champ fort. En dépassant les limites actuelles, cette innovation pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications et à une meilleure compréhension de la physique des lasers. C’est une avancée significative qui pourrait avoir des répercussions dans de nombreux domaines, de la recherche fondamentale à l’industrie et au-delà.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un laser ultra-intense ultra-court ?
Un laser ultra-intense ultra-court est un type de laser qui produit des impulsions de lumière extrêmement courtes et intenses. Ces lasers sont utilisés dans divers domaines, de la physique fondamentale à la sécurité nationale, en passant par les services industriels et les soins de santé.
Qu’est-ce que le titane:saphir ?
Le titane:saphir est un type de cristal utilisé comme milieu de gain dans les lasers. Il a la particularité d’avoir une large bande de gain, ce qui permet de produire des impulsions laser très courtes.
Qu’est-ce que l’amplification d’impulsion chirpée ?
L’amplification d’impulsion chirpée est une technique utilisée pour augmenter la puissance des impulsions laser. Elle consiste à étirer une impulsion laser de faible énergie, à l’amplifier, puis à la recompresser pour obtenir une impulsion de haute énergie.
Qu’est-ce que le lasing parasitaire transversal ?
Le lasing parasitaire transversal est un phénomène qui se produit lorsque l’énergie stockée dans un cristal laser est consommée par une émission spontanée amplifiée, réduisant ainsi l’amplification du laser de signal.
Qu’est-ce que l’assemblage cohérent de cristaux ?
L’assemblage cohérent de cristaux est une technique qui consiste à assembler plusieurs cristaux de manière à ce qu’ils agissent comme un seul et même cristal. Cette technique peut être utilisée pour augmenter la taille et la puissance des lasers.
Références
Légende illustration principale : Amplification d’un laser à tuiles cohérentes en titane:saphir. Crédit : Yuxin Leng
Pour plus de détails, voir l’article original de Y. Liu, K. Liu, et al, « Coherently tiled Ti:sapphire laser amplification : a way to break the 10 petawatt limit on current ultraintense lasers, » Adv. Photon. Nexus 2(6) 066009 (2023), doi 10.1117/1.APN.2.6.066009
