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Un laser ultracourt : le Téramobile

Dossier - Les lasers de puissance à impulsions ultracourtes
DossierClassé sous :physique , laser , femtoseconde

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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 Téramobile est issu d'un projet franco-allemand initié en 1999 par le CNRS et la DFG (Allemagne). Dès le départ, ce projet a fédéré quatre laboratories à Berlin, Jena (Allemagne), Palaiseau (LOA, Ecole Polytechnique) et Lyon (Lasim, Université Lyon 1). Ces laboratoires ont depuis été rejoints par le groupe de physique appliquée de l'Université de Genève. Afin d'étudier les applications des lasers ultrabrefs dans l'atmosphère, l'équipe du Téramobile a construit le premier laser mobile produisant des impulsions femtoseconde d'une puissance de plusieurs TW : cette puissance instantanée correspond à celle de mille centrales électriques.

1 - Le laser Téramobile

Le laser Téramobile est intégré dans un conteneur maritime équipé comme un laboratoire d'optique, et dont les spécifications permettent des mesures de terrain quelques soient les conditions météorologiques. C'est un système d'amplification à dérive de fréquence, dans une configuration classique adaptée aux contraintes de place liées à la construction d'un système mobile. Il fournit des impulsions à une cadence de répétition de 10 Hz. Leur puissance est de 5 TW, soit 350 mJ émis dans une durée de 70 fs.

Figure 5.1. Vue extérieure du laser Téramobile. Image © Téramobile Figure 5.2. Le laser Téramobile - Image © Téramobile

Le Téramobile est particulièrement dédié à l'étude de la filamentation. Dans ce mode de propagation, l'effet Kerr, une modification locale de l'indice de réfraction de l'air lié à l'intensité du laser, focalise le faisceau sur lui-même. L'intensité attente grâce à cette auto-focalisation permet d'ioniser l'air. Le plasma ainsi généré contrebalance l'auto-focalisation. L'équilibre dynamique qui s'ensuit s'établit pour des distances de plusieurs dizaines à quelques centaines de mètres. Les structures ainsi créées dans le faisceau ont un diamètre de l'ordre de 100 µm et sont appelées filaments.

L'automodulation de phase dans les filaments génère un large continuum, directement observable à l'oeil nu. (Figure) Le spectre correspondant a été mesuré de 300 nm à 4,5 µm.

Figure 5.3. Filament de lumière blanche dans l’air. Photo © C. Wedekind

2 - Le Lidar femtoseconde

Grâce au continuum de lumière blanche, les lasers femtoseconde-Térawatt tels que le Téramobile pourraient améliorer les mesures Lidar.

Le principe du Lidar consiste à émettre des impulsions lumineuses dans l'atmosphère, où elles sont atténuées et rétro-diffusées. La partie diffusée vers l'arrière est détectée en fonction du temps (donc de la distance de diffusion) et permet de reconstituer une information sur la composition de l'air sur le chemin du faisceau. En balayant le faisceau, on peut en plus réaliser une cartographie des polluants recherchés.

Figure 5.4. Principe de la télédétection par laser ou Lidar

Alors que le Lidar classique, basé sur un laser monochromatique, ne peut mesurer qu'un polluant à la fois, le Téramobile, grâce au continuum de lumière blanche, permet de mesurer simultanément plusieurs paramètres atmosphériques.

3 - Guider la foudre ?

L'ionisation de l'air dans les filaments le rend conducteur de l'électricité. Le faisceau laser peut donc se comporter comme un « fil électrique » qu'on placerait à un endroit bien choisi dans le ciel, pour jouer le rôle d'un paratonnerre. Des expériences en laboratoire, avec « seulement » quelques millions de volts et des décharges de quelques mètres, ont montré que la tension de claquage est réduite d'environ 30 % par le laser. Mais l'effet spectaculaire est le guidage de la décharge : celle-ci suit le chemin du faisceau laser (à droite), au lieu d'un tracé aléatoire des décharges naturelles (à gauche).

Figure 5.5. Guidage de décharge électrique par laser. A gauche : décharge libre, à droite, décharge guidée par laser.