Le Les possibilités offertes par la technologie laser sont presque infinies.. Depuis un système capable de dévier les rayons vers le ciel jusqu’à des applications médicales comme la radiothérapie, les lasers sont utilisés aussi bien dans notre vie quotidienne que dans la recherche scientifique la plus avancée et dans l’industrie militaire. Sans aller plus loin, nous avons en Espagne le Centre de Lasers Pulsés (CLPU) de Salamanque, l’un des candidats à la course internationale pour obtenir les lasers les plus puissants et les plus rapides, avec une concurrence serrée entre les États-Unis, la Chine et l’Europe.
Aujourd’hui, des scientifiques du Royaume-Uni et de Corée du Sud ont découvert une nouvelle méthode grâce à laquelle ils pourraient obtenir des impulsions laser beaucoup plus puissantes que les méthodes actuelles. Pour y parvenir, ils ont utilisé des simulations informatiques, avec lesquelles ils ont démontré la possibilité de compresser la lumière pour augmenter son intensité grâce au plasma. Son extrême puissance pourrait même permettre d’extraire des particules du vide, pour étudier en détail la nature de la matière.
L’étude, publiée dans le prestigieux magazine Nature Photonics, est signé par des spécialistes de l’Université de Strathclyde en Écosse, de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST) et de l’Institut des sciences et technologies de Gwangju (GIST), tous deux en Corée du Sud. Tout le monde a collaboré pour appliquer ce qu’il considère comme une idée « simple » : utiliser le gradient de densité du plasma pour agir comme un miroir. Cela refléterait non seulement les impulsions lumineuses, mais serait également capable de les compresser d’un facteur plus de deux cents fois.
VEGA, le système laser de haute intensité du Centre Laser Pulsé de Salamanque (CLPU)
Pour mieux le comprendre, ils suggèrent une métaphore : « c’est semblable à ce qui se produit lorsqu’un groupe de voitures se regroupe face à une pente raide ». Au-delà des problèmes techniques, l’important est que, si elle réussit une fois appliquée dans le monde réel, cette méthode pourrait augmenter la puissance des lasers de plus d’un million de fois par rapport aux lasers actuels.
Un pouvoir énorme
La Chirped Pulse Amplification (CPA) est issue d’une technique créée par les physiciens Gerard Mourou et Dona Strickland au milieu des années 1980, qui leur a valu le Prix Nobel de physique en 2018. Les CPA réalisent des impulsions laser de plus en plus puissantes mais pendant des femtosecondes, un temps très court, équivalent à un milliardième de seconde.
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Parmi les systèmes les plus avant-gardistes de CPA, le plus récent lancé est ZEUS, le laser doté de la puissance de crête la plus élevée aux États-Unis. Ses objectifs sont d’offrir aux chercheurs un nouveau niveau de connaissance reproduire des phénomènes de physique quantique à l’échelle du laboratoiremais aussi favoriser les avancées dans des domaines comme la médecine, l’électronique ou la sécurité.
ZEUS, outre le « père des dieux et des hommes » tout-puissant dans la mythologie grecque, est l’acronyme qui correspond à Zetawatt-Equivalent Ultrashort Pulse Laser System ou système laser à impulsions ultracourtes équivalent à zétawatt, dans sa traduction en espagnol. Lors de ses premiers tests, il a atteint 3 pétawatts, mais sa construction est conçue pour simuler un laser un million de fois plus puissant que son « vrai » pic.
Le laser ZEUS à l’Université du Michigan
Actuellement et en termes de puissance, la Chine est en tête avec le Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility (SULF). Après avoir allumé la lumière dans un cylindre de saphir et de titane de la taille d’un frisbee et l’avoir fait passer à travers un système de lentilles et de miroirs, le SULF la convertit en impulsions ultrarapides et de haute intensité. C’est ainsi qu’elle a atteint 10 pétawatts, le maximum atteint à ce jour et l’équivalent de plus de mille fois la puissance de tous les réseaux électriques du monde réunis.
Plusieurs de ces lasers CPA sont actuellement en construction, notamment le Vulcan 20-20 du laboratoire STFC Rutherford Appleton en Angleterre, qui atteindra 20 pétawatts. Pour mettre les choses en perspective, la haute atmosphère terrestre reçoit 173 pétawatts et le soleil produit l’équivalent de 400 000 zétawatts.
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« Une question importante et fondamentale est Que se passe-t-il lorsque les intensités lumineuses dépassent les niveaux normaux sur Terre« , a déclaré le professeur Dino Jaroszynski, du département de physique de l’université de Strathclyde. « Les lasers de grande puissance permettent aux scientifiques de répondre à des questions fondamentales sur la nature de la matière et du vide et d’explorer ce que l’on appelle la frontière de l’intensité ».
Nouvelle méthode
L’objectif ultime est d’atteindre les exawatts et les zétawatts, mais pour atteindre une telle puissance, de nombreux défis nous attendent. Les techniques actuelles impliquent la fabrication de grands caillebotis à compression, qui ont presque atteint leur limite technologique. De plus, l’extrême puissance des impulsions laser met en danger l’intégrité de l’équipement, et de nouvelles approches sont nécessaires pour obtenir la compression nécessaire.
Des miroirs sont utilisés pour diriger et concentrer les lasers iStock Omicrono
C’est pour cette raison que cette équipe de scientifiques a souhaité faire un pas en avant. Ce qu’ils proposent passe par concentrer l’impulsion laser sur un petit point. Jusqu’à présent, cela était réalisé grâce à des lentilles et des miroirs incurvés, qui permettaient de concentrer l’énergie et ainsi d’augmenter son intensité. Et c’est là qu’intervient le plasma et sa capacité à focaliser le faisceau laser.
Selon les mots du professeur Hyyong Suk du GIST : « Le plasma peut jouer un rôle similaire aux réseaux de diffraction traditionnels dans les systèmes CPA, mais il est un matériau qui ne peut pas être endommagé. Par conséquent, il améliorera la technologie CPA traditionnelle en incluant un module complémentaire très simple. « Même un plasma de quelques centimètres peut être utilisé pour des lasers dont la puissance maximale est supérieure à un exawat. »
Installations SULF, le laser le plus avancé au monde Zhao Kan / Ti Gong Omicrono
Les applications de ces lasers très puissants peuvent être très variées, mais les chercheurs soulignent leur intérêt pour la physique théorique et l’astrophysique avancées, en plus de la fusion laser qui, du moins sur le papier, est l’un des plus grands candidats pour offrir une source d’énergie propre, constante et illimitée.
Pour l’instant, son efficacité se limite aux simulations informatiques, mais L’équipe prévoit de tester expérimentalement les idées en laboratoire pour vérifier si, effectivement, les résultats de la recherche peuvent « ouvrir une nouvelle voie vers des lasers compacts de haute puissance de l’exawatt et plus dans le futur », comme ils le disent dans l’étude.
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