Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont conçu un laser multi-pétawatt compact qui utilise des réseaux de transmission à plasma pour surmonter les limitations de puissance des réseaux optiques à semi-conducteurs conventionnels. La conception pourrait permettre la construction d’un laser ultrarapide jusqu’à 1 000 fois plus puissant que les lasers existants de même taille.
Les lasers pétawatt (quadrillion-watt) reposent sur des réseaux de diffraction pour l’amplification d’impulsions chirpées (CPA), une technique permettant d’étirer, d’amplifier puis de comprimer une impulsion laser à haute énergie pour éviter d’endommager les composants optiques. Le CPA, qui a remporté un prix Nobel de physique en 2018, est au cœur de la capacité radiographique avancée du National Ignition Facility ainsi que du prédécesseur du NIF, le Nova Laser, le premier laser pétawatt au monde.
Avec un seuil de dommage supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des réseaux de réflexion conventionnels, les réseaux de plasma « nous permettent de fournir beaucoup plus de puissance pour un réseau de même taille », a déclaré l’ancien post-doctorant du LLNL Matthew Edwards, co-auteur d’un Examen physique appliqué article décrivant le nouveau design publié en ligne le 9 août. Edwards a été rejoint sur l’article par le chef du groupe Interactions laser-plasma, Pierre Michel.
« Les optiques de focalisation en verre pour les lasers puissants doivent être grandes pour éviter les dommages », a déclaré Edwards. « L’énergie du laser est répartie pour maintenir une faible intensité locale. Parce que le plasma résiste mieux aux dommages optiques qu’un morceau de verre, par exemple, nous pouvons imaginer construire un laser qui produit des centaines ou des milliers de fois plus de puissance qu’un système actuel sans rendant ce système plus grand. »
LLNL, avec 50 ans d’expérience dans le développement de systèmes laser à haute énergie, est également un leader de longue date dans la conception et la fabrication des plus grands réseaux de diffraction au monde, tels que les réseaux en or utilisés pour produire des impulsions pétawatt de 500 joules sur le laser Nova. dans les années 1990. Cependant, des réseaux encore plus grands seraient nécessaires pour les lasers multi-pétawatts et exawatts (1 000 pétawatts) de nouvelle génération afin de surmonter les limites de fluence maximale (densité d’énergie) imposées par l’optique solide conventionnelle (voir « Holographic Plasma Lenses for Ultra-High -Lasers de puissance »).
Edwards a noté que les optiques constituées de plasma, un mélange d’ions et d’électrons libres, sont « bien adaptées à un laser à taux de répétition relativement élevé et à puissance moyenne élevée ». La nouvelle conception pourrait, par exemple, permettre de déployer un système laser de taille similaire au L3 HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) sur ELI Beamlines en République tchèque, mais avec 100 fois la puissance de crête.
Conçu et construit par LLNL et livré à ELI Beamlines en 2017, HAPLS a été conçu pour produire 30 joules d’énergie dans une durée d’impulsion de 30 femtosecondes (quadrillionième de seconde), ce qui équivaut à un pétawatt, et ce à 10 Hertz ( 10 impulsions par seconde).
« Si vous imaginez essayer de construire HAPLS avec 100 fois la puissance de crête au même taux de répétition, c’est le genre de système où cela serait le plus approprié », a déclaré Edwards, maintenant professeur adjoint de génie mécanique à l’Université de Stanford.
« Le réseau peut être refait à un taux de répétition très élevé, nous pensons donc qu’un fonctionnement à 10 Hertz est possible avec ce type de conception. Cependant, il ne conviendrait pas à un laser à onde continue de puissance moyenne élevée. »
Alors que l’optique à plasma a été utilisée avec succès dans les miroirs à plasma, ont déclaré les chercheurs, leur utilisation pour la compression d’impulsions à haute puissance a été limitée par la difficulté de créer un grand plasma suffisamment uniforme et la complexité de la dynamique des ondes de plasma non linéaires.
« Il s’est avéré difficile d’obtenir des plasmas pour faire ce que vous voulez qu’ils fassent », a déclaré Edwards. « Il est difficile de les rendre suffisamment homogènes, de faire en sorte que les variations de température et de densité soient suffisamment faibles, etc.
« Nous visons une conception où ce type d’inhomogénéité est un problème aussi minime que possible pour l’ensemble du système. La conception doit être très tolérante aux imperfections du plasma que vous utilisez. »
Sur la base de simulations utilisant le code de particules dans la cellule (PIC) EPOCH, les chercheurs ont déclaré : « Nous nous attendons à ce que cette approche soit capable de fournir un degré de stabilité non accessible avec d’autres mécanismes de compression à base de plasma, et peut s’avérer plus faisable pour construire dans la pratique. » La nouvelle conception « ne nécessite que du gaz comme milieu initial, est robuste aux variations des conditions du plasma et minimise le volume de plasma pour rendre pratique une uniformité suffisante ».
« En utilisant des paramètres de plasma réalisables et en évitant le plasma à densité solide et l’optique à semi-conducteurs, cette approche offre une voie réalisable vers la prochaine génération de laser haute puissance. »
Matthew R. Edwards et al, Réseaux de transmission de plasma pour la compression d’impulsions laser à haute intensité, Examen physique appliqué (2022). DOI : 10.1103/PhysRevApplied.18.024026