Le laser qui sera le plus puissant des Etats-Unis s’apprête à envoyer ses premières impulsions dans une cible expérimentale à l’université du Michigan.
Appelé ZEUS, le système laser à impulsions ultracourtes équivalent à Zetawatt, il explorera la physique de l’univers quantique ainsi que de l’espace extra-atmosphérique, et il devrait contribuer aux nouvelles technologies en médecine, en électronique et en sécurité nationale.
« ZEUS sera le laser à puissance de crête la plus élevée aux États-Unis et parmi les systèmes laser les plus puissants au monde. Nous sommes impatients de développer la communauté de recherche et d’amener des personnes avec de nouvelles idées d’expériences et d’applications », a déclaré Karl Krushelnick, directeur du Center for Ultrafast Optical Science, qui abrite ZEUS, et le Henry J. Gomberg Collegiate Professor of Engineering.
La première zone cible à se mettre en marche est la zone cible à haute répétition, qui exécute des expériences avec des impulsions laser plus fréquentes mais de plus faible puissance. Franklin Dollar, ancien élève du Michigan, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’Université de Californie à Irvine, est le premier utilisateur, et son équipe explore un nouveau type d’imagerie par rayons X.
Ils utiliseront ZEUS pour envoyer des impulsions laser infrarouges dans une cible gazeuse d’hélium, la transformant en plasma. Ce plasma accélère les électrons à des énergies élevées, et ces faisceaux d’électrons se tortillent ensuite pour produire des impulsions de rayons X très compactes.
L’équipe de Dollar étudie comment fabriquer et utiliser ces nouveaux types de sources de rayons X. Parce que les tissus mous absorbent les rayons X à des taux très similaires, les appareils de radiographie médicale de base doivent délivrer de fortes doses de rayonnement avant de pouvoir faire la distinction entre une tumeur et un tissu sain, a-t-il déclaré.
Crédit : Université du Michigan
Mais pendant ses études de doctorat sous Krushelnick, Dollar a utilisé le prédécesseur de ZEUS pour imager une demoiselle, montrant la promesse d’impulsions de rayons X de type laser. Différents tissus mous dans la carapace de la demoiselle ont retardé les rayons X à des degrés divers, créant des modèles d’interférence dans les ondes de rayons X. Ces modèles ont révélé les structures molles avec des impulsions de rayons X très courtes – quelques millionièmes de milliardième de seconde – et donc de petites doses de rayons X.
« Nous pouvions voir chaque petit organe ainsi que les minuscules micro poils sur sa jambe », a déclaré Dollar. « C’est très excitant de penser à la façon dont nous pourrions utiliser ces rayons X de type laser pour faire de l’imagerie à faible dose, en profitant du fait qu’ils sont de type laser plutôt que de devoir compter sur l’imagerie par absorption du passé. «
Dans cette première phase, l’équipe ZEUS démarre à une puissance de 30 térawatts (30 000 milliards de watts), soit environ 3 % des lasers les plus puissants actuels aux États-Unis et 1 % de la puissance maximale éventuelle de ZEUS.
« Au cours de l’expérience ici, nous allons faire passer la première lumière dans la chambre cible et développer vers ce niveau de 300 térawatts », a déclaré John Nees, chercheur en génie électrique et informatique.
Nees dirige la construction du laser aux côtés d’Anatoly Maksimchuk, chercheur en génie électrique et informatique, qui dirige le développement des zones expérimentales.
L’équipe de Dollar prévoit de revenir à la fin de l’automne pour une autre course, visant la pleine puissance destinée à la zone cible à haute répétition, 500 térawatts. La puissance maximale de 3 pétawatts, ou quadrillions de watts, ira à différentes zones cibles à compléter ultérieurement. Le premier test utilisant la zone cible pour l’expérience de signature de ZEUS est prévu en 2023.
Cette expérience utilisera le laser pour générer un faisceau d’électrons à grande vitesse, puis dirigera les électrons directement dans les impulsions laser. Pour les électrons, cela simule une impulsion laser zêtawatt, un million de fois plus puissante que les 3 pétawatts de ZEUS. En plus de sonder les fondements de notre compréhension de l’univers quantique, ZEUS permettra aux chercheurs d’étudier ce qui se passe à l’intérieur de certains des objets les plus extrêmes de l’espace.
« Les magnétars, qui sont des étoiles à neutrons entourées de champs magnétiques extrêmement puissants, et des objets tels que des noyaux galactiques actifs entourés de plasma très chaud, nous pouvons recréer la microphysique du plasma chaud dans des champs extrêmement puissants en laboratoire », a déclaré Louise Willingale, directrice associée. de ZEUS et professeur agrégé de génie électrique et informatique.
ZEUS offre non seulement des opportunités scientifiques et technologiques, mais avec l’effort à l’échelle de la discipline pour développer la main-d’œuvre en physique des lasers, il crée également des opportunités de carrière. Dollar a amené toute son équipe pour acquérir l’expérience pratique d’une expérience de mise en service sur un laser de classe mondiale.