Des “miroirs fantomatiques” pour les lasers à haute puissance

Ils ont le potentiel d’être développés en une variété d’éléments optiques à base de plasma et à seuil de dommage élevé qui pourraient conduire à des systèmes laser à impulsions ultra-courtes, à ultra-haute puissance et à faible encombrement.

La nouvelle façon de produire des miroirs et d’autres composants optiques ouvre la voie au développement de la prochaine génération de lasers haute puissance, allant de centaines de pétawatts (1015 watts) à des exawatts (1018 watts).

La nouvelle recherche a été publiée dans Physique des communications.

Le professeur Dino Jaroszynski, du département de physique de Strathclyde, a dirigé la recherche. Il a déclaré : « Les lasers à haute puissance sont des outils qui permettent la recherche dans de nombreux domaines de la médecine, de la biologie, des sciences des matériaux, de la chimie et de la physique.

“Rendre les lasers de haute puissance plus largement disponibles transformerait la façon dont la science est pratiquée ; une université pourrait avoir ces outils dans une seule pièce, sur une table, pour un prix raisonnable.

“Ces travaux font progresser de manière significative l’état de l’art des lasers de forte puissance en proposant de nouvelles méthodes de création d’éléments optiques, plus robustes que les éléments existants et également transitoires, ce qui les rend uniques.

“Ceci est plus compact et beaucoup plus robuste et pourrait fournir un changement de paradigme dans les lasers à haute puissance, ce qui stimulerait de nouvelles directions de recherche. La nouvelle méthode présentée serait également d’un grand intérêt pour une communauté diversifiée développant et utilisant des lasers à haute puissance.

“Le groupe prévoit maintenant d’autres expériences de preuve de principe pour démontrer la robustesse et la fidélité des éléments optiques à plasma.”

La nouvelle recherche a produit des miroirs à plasma en couches utilisant des faisceaux laser à contre-propagation. Le plasma est un gaz entièrement ionisé et constitue la grande majorité de l’univers visible. Les faisceaux laser à contre-propagation produisent une onde de battement dans le plasma qui entraîne les électrons et les ions dans une structure en couches régulière, qui agit comme un miroir très robuste à haute réflectivité.

Ce miroir n’existe que fugitivement, pendant quelques picosecondes — moins de 1/100 000 000 000ème de seconde — et sa présence fantomatique permet de réfléchir ou de manipuler une lumière laser très intense.

Le plasma en couches transitoire est connu sous le nom de réseau de Bragg volumique, similaire aux structures de Bragg trouvées dans les cristaux, et ne mesure que quelques millimètres de diamètre. Il a le potentiel d’être développé en une variété d’éléments optiques à base de plasma et à seuil de dommage élevé qui pourraient conduire à des systèmes laser à impulsions ultra-courtes, à ultra-haute puissance et à faible encombrement.

Le Dr Gregory Vieux de Strathclyde, qui a conçu et réalisé les expériences au laboratoire Rutherford Appleton (RAL) du Science and Technology Facilities Council (STFC) avec le professeur Jaroszynski, a déclaré : « Cette nouvelle façon de produire des miroirs à plasma robustes transitoires pourrait révolutionner les accélérateurs et des sources lumineuses, car cela les rendrait très compactes et capables de produire des impulsions lumineuses ultra-intenses de durée ultra-courte, beaucoup plus courtes que ce qui peut être produit facilement par tout autre moyen.

“Le plasma peut supporter des intensités allant jusqu’à 1018 watts par centimètre carré, ce qui dépasse le seuil d’endommagement de l’optique conventionnelle de quatre ou cinq ordres de grandeur. Cela permettra de réduire la taille des éléments optiques de deux ou trois ordres de grandeur, rétrécissant optiques de taille métrique en millimètres ou en centimètres.”

La collaboration de recherche a également impliqué : le centre GSI Helmholtz pour la recherche sur les ions lourds à Darmstadt ; l’Institut de physique appliquée de l’Université Goethe de Francfort/Main ; Institut de physique théorique de l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf ; l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST) en Corée du Sud ; Instituto Superior Técnico de l’Universidade de Lisboa et le personnel de l’installation laser centrale du STFC.

L’étude a reçu un financement de l’EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council), qui fait partie de l’UKRI, pour soutenir le projet Strathclyde-led Lab in a Bubble.

Le professeur Jaroszynski est directeur du Centre écossais pour l’application des accélérateurs à plasma (SCAPA), qui héberge l’un des lasers les plus puissants du Royaume-Uni.