La compression de la lumière, une clé pour des lasers ultra-puissants

Des chercheurs britanniques et sud-coréens ont proposé une nouvelle méthode pour créer des impulsions laser plus de 1 000 fois plus puissantes que celles actuellement existantes. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de lasers et à une meilleure compréhension de la nature de la matière.

Les scientifiques de l’Université de Strathclyde, de l’UNIST et du GIST ont utilisé des simulations informatiques pour démontrer une nouvelle façon de comprimer la lumière afin d’augmenter son intensité. Cette intensité accrue pourrait permettre d’extraire des particules du vide et d’étudier la nature de la matière.

Pour ce faire, les trois groupes ont collaboré pour produire un type très spécial de miroir – un miroir qui non seulement réfléchit les impulsions lumineuses, mais les comprime également dans le temps par un facteur de plus de deux cents fois, avec une compression supplémentaire possible.

Les groupes proposent une idée simple : utiliser le gradient de densité du plasma, qui est une matière entièrement ionisée, pour amener les photons à se «regrouper», de manière analogue à la façon dont un groupe de voitures étirées se regroupe lorsqu’il rencontre une colline abrupte. Cette méthode pourrait permettre d’augmenter la puissance des lasers de plus d’un million de fois par rapport à ce qui est actuellement possible.

Les lasers de plus haute puissance au monde ont une puissance de crête d’environ 10 pétawatts. Pour mettre cela en contexte, 173 pétawatts (173 × 1015 W) de lumière solaire atteignent l’atmosphère supérieure de la terre, et environ un tiers de cela atteint la surface de la terre. Un pétawatt est 1015 W, un exawatt est 1018 W et un zettawatt est 1021 W. Le soleil produit 4×1026 W de puissance ou 400 000 zettawatts.

Des impulsions lumineuses de très courte durée

Les lasers de haute puissance produisent des impulsions lumineuses de très courte durée – généralement plusieurs femtosecondes (une femtoseconde est 10-15 secondes), ce qui est réalisé en utilisant une technique appelée amplification d’impulsion élargie (CPA).

La CPA implique une compression d’impulsion, qui concentre l’énergie de l’impulsion laser dans un court laps de temps, augmentant ainsi sa puissance de crête de plusieurs ordres de grandeur.

Le professeur Dino Jaroszynski, du département de physique de l’Université de Strathclyde, a déclaré : « Une question importante et fondamentale est de savoir ce qui se passe lorsque les intensités lumineuses dépassent les niveaux qui sont courants sur terre. Les lasers de haute puissance permettent aux scientifiques de répondre à des questions de base sur la nature de la matière et du vide et d’explorer ce que l’on appelle la frontière d’intensité. »

« L’application de lasers térawatt et pétawatt à la matière a permis le développement d’accélérateurs laser-plasma de nouvelle génération, qui sont des milliers de fois plus petits que les accélérateurs conventionnels. La mise à disposition de nouveaux outils pour les scientifiques transforme la façon dont la science est faite. Nous avons créé le Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerator (SCAPA), à l’université de Strathclyde, pour faire progresser les applications basées sur les lasers à haute puissance ».

« Les résultats de cette recherche sont attendus pour être applicables dans divers domaines, y compris la physique théorique avancée et l’astrophysique. Ils peuvent également être utilisés dans la recherche sur la fusion laser pour aider à résoudre les problèmes énergétiques auxquels l’humanité est confrontée. Nos équipes coréennes et britanniques prévoient de tester expérimentalement les idées en laboratoire. » a ajouté pour sa part le professeur Min Sip Hur, de l’UNIST.

Enfin, le professeur Hyyong Suk, du GIST, a précisé : « Le plasma peut jouer un rôle similaire à celui des réseaux de diffraction traditionnels dans les systèmes CPA mais est un matériau qui ne peut pas être endommagé. Il améliorera donc la technologie CPA traditionnelle en incluant un complément très simple. » Et de conclure, « Même avec un plasma de quelques centimètres de taille, il peut être utilisé pour des lasers avec des puissances de crête dépassant un exawatt. »

La compression des impulsions laser et ses impacts sur l’intensité

Les exawatts et les zétawatts semblent représenter une grande puissance, ce qui est certainement le cas, mais il suffit de concentrer l’impulsion laser sur un petit point à l’aide d’une lentille ou d’un miroir incurvé, pour concentrer son énergie et augmenter considérablement son intensité. Par analogie avec la compression d’une impulsion laser dans le temps sur une courte durée, la même chose peut être faite dans l’espace en comprimant l’impulsion dans l’espace, c’est-à-dire en la concentrant sur un petit point. Ainsi, la compression, d’une manière très générale – dans l’espace ou dans le temps – permet d’augmenter l’intensité d’une impulsion laser. La compression spatiale peut être facilement testée en utilisant une lentille pour focaliser la lumière du soleil sur une feuille de papier, qui s’enflammera spontanément.

La matière subit diverses transformations lorsque l’intensité augmente. Par exemple, l’air est ionisé à des intensités supérieures à 1010 – 1012 W/cm2 pour les longueurs d’onde de la lumière visible et lorsque des électrons sont soumis à des lasers d’intensités supérieures à 1018 W/cm2, ils se rapprochent de la vitesse de la lumière, ce qui conduit au domaine de l’optique relativiste.

À partir d’une intensité de 1024 W/cm2, les protons se rapprochent de la vitesse de la lumière et les particules soumises à des champs laser intenses réagissent à leurs propres champs de rayonnement, ce qui constitue la frontière actuelle de la physique en matière d’intensité. À une intensité supérieure à 1029 W/cm2, connue sous le nom de limite de Schwinger, les particules sont produites directement à partir du vide – la lumière peut être directement transformée en matière. Cela nécessite des lasers de l’ordre de l’exawatt ou du zettawatt.

Comprendre la nature de la matière et du vide à des intensités supérieures à 1024 W/cm2 fait partie des défis majeurs de la physique moderne. Les lasers de haute puissance permettent également d’étudier les phénomènes astrophysiques en laboratoire, donnant un aperçu unique de l’intérieur des étoiles et de l’origine de l’univers.

En synthèse

La nouvelle méthode de création d’impulsions laser plus puissantes pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de lasers et à une meilleure compréhension de la nature de la matière. Cette découverte, qui est le fruit d’une collaboration internationale, pourrait avoir des applications dans divers domaines, dont la physique théorique avancée, l’astrophysique et la recherche sur la fusion laser. Les chercheurs prévoient de tester expérimentalement les idées en laboratoire.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la nouvelle méthode de création d’impulsions laser ?

C’est une méthode proposée par des chercheurs britanniques et sud-coréens qui permet de créer des impulsions laser plus de 1 000 fois plus puissantes que celles actuellement existantes en utilisant le gradient de densité du plasma pour amener les photons à se «regrouper».

Qu’est-ce que l’amplification d’impulsion élargie (CPA) ?

La CPA est une technique qui implique une compression d’impulsion, qui concentre l’énergie de l’impulsion laser dans un court laps de temps, augmentant ainsi sa puissance de crête de plusieurs ordres de grandeur.

Qu’est-ce que le plasma dans ce contexte ?

Le plasma est une matière entièrement ionisée qui peut jouer un rôle similaire à celui des réseaux de diffraction traditionnels dans les systèmes CPA mais est un matériau qui ne peut pas être endommagé.

Quels sont les domaines d’application de cette recherche ?

Les résultats de cette recherche sont attendus pour être applicables dans divers domaines, y compris la physique théorique avancée, l’astrophysique et la recherche sur la fusion laser.

Qu’est-ce que la frontière d’intensité ?

La frontière d’intensité est un terme utilisé pour décrire le niveau d’intensité lumineuse au-delà duquel se produisent des phénomènes physiques inconnus ou peu compris.

Principaux enseignements

Références

La nouvelle méthode de compression des impulsions laser dans le plasma est publiée dans la revue Nature Photonics.