Des lasers si puissants qu’ils pourraient nous permettre d’explorer un nouveau type de physique

Une équipe internationale de chercheurs a récemment fait la démonstration d’une technique innovante pour augmenter l’intensité des lasers, ouvrant la voie à l’étude d’un nouveau type de physique.

Réduire la durée d’impulsion au lieu d’augmenter l’énergie du laser

Dans le cadre de travaux récemment publiés dans la revue Applied Physics Letters, une équipe internationale de chercheurs a fait la démonstration d’une technique innovante pour augmenter l’intensité des lasers. Basée sur la compression des impulsions lumineuses, cette approche permettrait d’atteindre un seuil d’intensité suffisant pour un nouveau type de physique n’ayant jamais été exploré auparavant : les phénomènes d’électrodynamique quantique.

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Depuis l’invention de l’amplification par dérive de fréquence en 1985, la puissance des lasers a augmenté de façon phénoménale pour finalement plafonner depuis quelques années. De nombreux groupes de recherche pallient cette situation en amplifiant l’énergie du laser pour accroître sa puissance, mais cette approche coûteuse nécessite des faisceaux et de l’optique très large, de plus d’un mètre.

Les chercheurs Jean-Claude Kieffer de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), E. A. Khazanov de l’Institut de physique appliquée de l’Académie des sciences de Russie et Gérard Mourou, professeur émérite de l’École polytechnique de Paris ayant reçu le prix Nobel de physique en 2018, ont choisi une autre direction pour atteindre une puissance d’environ 10^23 Watts (W). Plutôt que d’augmenter l’énergie du laser, ils réduisent la durée de l’impulsion à quelques femtosecondes seulement. Ce qui permettrait de limiter la taille du dispositif nécessaire et par extension les coûts d’exploitation.

« Si nous obtenons des impulsions très courtes, nous entrons dans des classes de problèmes relativistes »

Afin de générer l’impulsion la plus courte possible, les chercheurs exploitent les effets de l’optique non linéaire. « Un faisceau laser est envoyé à travers une lame de verre extrêmement fine et parfaitement homogène. Le comportement particulier de l’onde à l’intérieur de ce milieu solide élargit le spectre et permet d’obtenir une impulsion plus courte lorsqu’elle est recompressée à la sortie de la lame », explique Jean-Claude Kieffer, co-auteur de l’étude.

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Installés dans le Laboratoire de sources femtosecondes (ALLS) de l’INRS, les chercheurs se sont limités à une énergie de 3 joules pour une impulsion de 10 femtosecondes, soit 300 térawatts (1012W). Ils prévoient de répéter l’expérience avec une énergie de 13 joules sur 5 femtosecondes, soit une intensité de 3 pétawatts (1015 W). « Nous serions parmi les premiers au monde à atteindre ce niveau de puissance avec un laser ayant des impulsions aussi courtes », explique le professeur Kieffer.

« Si nous obtenons des impulsions très courtes, nous entrons dans des classes de problèmes relativistes. C’est une direction extrêmement intéressante qui pourrait mener la communauté scientifique vers de nouveaux horizons », poursuit Kieffer. « C’est un très beau travail qui consolide le potentiel primordial de cette technique », conclut Gérard Mourou.