Vue d'artiste du futur site du laser le plus puissant au monde (de 2x10 petawatts, soit 20 millions de milliards de watts) sur le site d’ELI-NP, en Roumanie. Il devrait être mis en service en 2018. © Thales, IFIN-HH

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Le laser le plus puissant au monde s'installe en Roumanie

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L'institut national roumain de Physique et d'ingénierie nucléaire Horia Hulubei a commandé au groupe français Thales le laser le plus puissant au monde ! D'une taille de 2.400 m² et avec une consommation électrique de quelque 300 kW, il délivrera une puissance de 2x10 petawatts, soit 20 millions de milliards de watts. Il est destiné à la recherche en astrophysique et à la recherche appliquée en science de la matière, matière nucléaire et sciences de la vie. Franck Leibreich, directeur de l'activité laser chez Thales et François Lureau, chef de projet, répondent à nos questions.

Les observatoires terrestres et spatiaux ne sont pas les seuls outils à la disposition des astronomes pour comprendre l'univers. Les lasers sont également utilisés. Si l'utilisation la plus connue consiste à générer des étoiles laser, ils servent également à mener des recherches sur le noyau des atomes, par la génération de particules (électrons et/ou protons) hautement énergétiques (plusieurs GeV), afin de mieux comprendre comment les éléments chimiques se forment à l'intérieur des étoiles.

Dans le cadre du programme de recherche européen Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics (ELI-NP), l'institut national roumain de Physique et d'ingénierie nucléaire Horia Hulubei (IFIN-HH) a commandé au groupe français Thales deux lasers de 10 petawatts pour la recherche fondamentale sur le noyau des atomes.

Lorsqu'ils entreront en service, « ces deux lasers seront les plus puissants au monde », nous explique Franck Leibreich, directeur de l'activité laser chez Thales. Ensemble, ils vont « permettre d'explorer la matière, recréer les conditions et comprendre la création de l'univers, ce qui n'est pas possible aujourd'hui ». L'un des objectifs scientifiques premiers est de produire un laser suffisamment puissant pour créer un minuscule point d'énergie concentrée similaire à celui qui contenait l'univers au moment du Big Bang. Le chemin est encore long, mais si cet objectif est atteint, cela permettrait aux scientifiques « d'envisager la création de matière à partir du vide, ce qui correspond au processus que l'on suppose à l'origine de la formation de l'univers ».

Sur Mars, le rover Curiosity utilise également un laser pour déterminer la composition élémentaire des roches. Ce laser, à bord de l’instrument Chemcam, a été fabriqué par le groupe français Thales, qui travaille actuellement sur un modèle amélioré pour le rover Mars 2020. Il s'agit du premier laser jamais envoyé sur une autre planète. © Nasa, JP et J.L. Labour pour la vue d'artiste

Ces lasers seront également « utilisés dans d'autres domaines scientifiques que ceux de la physique de la matière et de la physique nucléaire », précise Franck Leibreich. Des applications médicales sont attendues dans le traitement du cancer ou en ophtalmologie. « La création de protons présente un intérêt tout particulier en médecine, avec la protonthérapie utilisée pour traiter certaines tumeurs. » Cette technologie basée sur des accélérateurs de particules conventionnels est peu développée dans le monde et très coûteuse. Une solution basée sur un système laser permettrait de construire des centres de traitement à moindres coûts et de rendre accessibles à plus de patients ce type de traitement.

À terme, ces « lasers surpuissants ont vocation à remplacer les accélérateurs de particules conventionnels, type Cern, volumineux et prohibitif en termes de coût de construction et d'exploitation », conclut Franck Leibreich.

François Lureau, chef de projet système laser pour le programme de recherche européen ELI-NP, répond à nos questions.

Comment fabrique-t-on le laser le plus puissant au monde ?

François Lureau : À Thales, le laser c'est aujourd'hui plus de 30 ans d'expertise et de savoir-faire dans le développement de systèmes laser pour différentes applications comme la science, l'industrie mais aussi le spatial. Ses compétences en ingénierie pour développer des systèmes complexes et sa connaissance des technologies laser permettent à Thales de maîtriser toutes les étapes d'une chaîne laser ultra-intense, de la création de l'impulsion à sa compression en une durée ultracourte, en passant par l'amplification de cette impulsion.

Quel est le principe de fonctionnement de ce futur laser ?

François Lureau : Nos lasers ultra-intenses utilisent la technique du CPA (Chirped Pulse Amplification par Dérive de Fréquence) inventée par Gérard Mourou, scientifique français, qui permet l'amplification d'une impulsion ultracourte étirée spectralement et temporellement au préalable. Une impulsion laser de quelques femtosecondes (10-15 s) est étirée en utilisant un jeu de réseaux de diffraction jusqu'à plusieurs picosecondes (10-12 s) voire nanosecondes (10-9 s). Ensuite, cette impulsion est amplifiée au travers d'un ou plusieurs étages afin d'augmenter l'énergie de l'impulsion laser.

Ces étages d'amplification sont généralement construits avec un ou plusieurs autres lasers, appelés lasers de pompe, qui émettent de la lumière verte et avec des cristaux de Ti : Sa, le milieu actif qui a la propriété d'absorber cette lumière et de stocker l'énergie qu'elle transporte. Cette énergie stockée est ainsi restituée au faisceau que l'on souhaite amplifier, en traversant une ou plusieurs fois le milieu actif. Une fois le niveau d'énergie souhaitée atteint, l'impulsion étirée est compressée à quelques dizaines de femtosecondes au travers d'un compresseur construit avec des réseaux optiques et placés sous vide, générant ainsi un faisceau de puissance crête de plusieurs centaines de TW (10+12W) jusqu'à plusieurs PW (10+15W, la puissance crête étant le ratio entre l'énergie et la durée d'impulsion). 

Quelles sont les principales difficultés pour sa mise au point ? 

François Lureau : Les éléments clés sont tout d'abord la création d'une impulsion de très bonne qualité, c'est-à-dire avec un excellent rapport signal sur bruit. Cette étape nécessite la mise en œuvre de différentes techniques complexes de mise en forme d'impulsions basées principalement sur des principes d'optique non linéaire.

Cette impulsion doit être amplifiée en utilisant d'autres systèmes laser, que l'on appelle lasers de pompe. Ces lasers de pompe doivent être très homogènes en termes de distribution spatiale d'énergie et de stabilité. Thales produit et maîtrise ses propres lasers de pompe intégrés dans le système laser ce qui permet d'avoir le contrôle complet de la chaîne laser.

Ces deux éléments, la qualité de l'impulsion à amplifier et la qualité des lasers de pompes (48 pour ce laser de 2x10 PW), sont essentiels pour atteindre la performance finale. Certains composants sont des éléments critiques par leur taille comme les cristaux de Ti : Sa et les réseaux de diffraction.

S’agit-il d’un laser de type nouvelle technologie ou d’une amélioration de technologies maîtrisées ?

François Lureau : Les deux ! Comme expliqué, Thales s'appuie sur une expérience de plus de 30 ans et un catalogue de produits qui ont déjà permis de construire deux systèmes laser de puissance supérieure à 1 PW : le laser Bella, installé en Californie au prestigieux Lawrence Berkeley National Laboratory, et le laser Cetal, installé en Roumanie à l'INFLPR.

Pour atteindre la puissance record de 10 PW, Thales a développé un nouveau laser de pompe, Atlas 100, basé sur des technologies et composants existants mais intégrés de façon ingénieuse et innovante. Thales a également mis en place avec ses partenaires clés des programmes de développement spécifiques pour fabriquer des composants critiques à des dimensions encore jamais atteintes, dont un cristal de Ti : Sa de 200 mm (livré en mars 2016) alors que, à ce jour, le plus gros réalisé et mis en œuvre dans un système a un diamètre de 130 mm.

Donc, pas de sauts technologiques ?

François Lureau : Pas vraiment ! Il s'agit de pousser les technologies, de façon astucieuse, vers leurs limites mais sans les atteindre.

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