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Un laser de très haute puissance : le Mégajoule

Dossier - Les lasers de puissance à impulsions ultracourtes
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On trouve aujourd’hui des lasers un peu partout autour de nous : dans les films de science-fiction bien sûr, mais aussi dans l’industrie pour découper ou percer des matériaux, dans les lecteur de CD, dans les télémètres lasers ou les bistouris des chirurgiens. Il existe autant de types de lasers que d’applications : continus ou impulsionnels, de toutes les couleurs, avec des longueurs d’ondes allant de l’ultraviolet à l’infrarouge, produits dans des gaz, des liquides, des cristaux, des semiconducteurs…

  
DossiersLes lasers de puissance à impulsions ultracourtes
 

Le laser Mégajoule, actuellement construit par le Commissariat à l'énergie atomique (CEA) près de Bordeaux, doit être, avec le NIF américain, le laser le plus énergétique du monde. Chacun de ses flashes produira une énergie de 1,8 MJ (près de deux millions de Joule ou mégajoule, d'où son nom), c'est-à-dire l'énergie qu'aurait accumulée une masse de une tonne après une chute de 200 mètres !

Avec une telle énergie, focalisée sur moins de 1 mm2, on peut reproduire les conditions de la fusion thermonucléaire, afin de simuler les conditions de fonctionnement d'une arme nucléaire, ou celles rencontrées au coeur des étoiles : ces expériences en modèle réduit permettront d'affiner les modèles de simulation par ordinateur.

Le laser mégajoule n'est pas à proprement parler un laser à impulsions ultrabrèves, puisque ses impulsions ont une durée de 20 ns. Mais l'énergie mise en jeu, et la puissance atteinte (550 TW) en font incontestablement un laser de puissance exceptionnelle. Cette puissance est atteinte en combinant sur la cible 240 faisceaux laser fournissant 7,5 kJ chacun.

Ces 240 faisceaux sont synchronisés avec une grande précision 50 microns, et 15 picosecondes maximum). Chaque faisceau est, comme une chaîne d'amplification à dérive de fréquence, constitué d'éléments successifs (Figure 4.1) :
- un oscillateur, qui produit une impulsion de basse énergie (quelques nano-joules, soit quelques milliardièmes de joule) à une longueur d'onde de 1053 nm
- un préamplificateur à deux niveaux, qui amplifie les impulsions issues de l'oscillateur jusqu'à une énergie pouvant atteindre 1 J.
- une section amplificatrice, dans laquelle le faisceau passe quatre fois à travers 18 plaques de verre dopé au néodyme, pour atteindre 15 à 20 kJ
Après leur amplification, les faisceaux traversent des cristaux non-linéaires qui triplent leur fréquence : le faisceau devient alors ultraviolet.

Figure 4.1. Schéma d’un des 245 faisceaux composant le laser Mégajoule. Image © CEA

Le laser Mégajoule devrait être mis en fonctionnement en 2011. Le chantier est impressionnant : un bâtiment de 40 000 m2 abritant l'une des plus grandes salles blanches d'Europe (Figure 4.2). Y sont attendus 125 tonnes de verre amplificateur et 9000 m2 de surfaces optiques !

Figure 4.2. Implantation du laser Mégajoule. Image © CEA