Un laser compact haute puissance à l’aide d’optiques à plasma
Des chercheurs conçoivent un laser compact haute puissance à l’aide d’optiques à plasma. Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont développé un laser multi-petawatt compact qui utilise des réseaux de transmission à plasma pour surmonter les restrictions de puissance des réseaux optiques à semi-conducteurs traditionnels.
La conception pourrait permettre la construction d’un laser ultrarapide jusqu’à 1 000 fois plus puissant que les lasers existants de même dimension.
Les lasers petawatt (quadrillion-watt) reposent sur des réseaux de diffraction pour l’amplification des impulsions crispées (CERTIFIED PUBLIC COMPTABLE). Une stratégie pour étendre, amplifier, puis appuyer sur une impulsion laser à haute énergie pour éviter d’endommager les pièces optiques. Le CPA, qui remportait un prix Nobel de physique en 2018, se avance au cœur de la capacité radiographique du National Ignition Center et du précurseur du NIF, le Nova Laser, le premier laser petawatt au monde.
Un laser compact haute puissance à l’aide d’optiques à plasma: l’optique de focalisation en verre
Avec une limite de dommages de plusieurs ordres de taille supérieure à celle des réseaux de réflexion conventionnels, les réseaux de plasma “nous permettent de fournir beaucoup plus d’énergie pour le même réseau de taille”, a déclaré l’ancien post-doctorant du LLNL Matthew Edwards, co-auteur d’un article Physical Review Applied décrivant le nouveau style mis en ligne en août. 9. Edwards se rejoint sur l’article par le chef d’équipe des interactions laser-plasma, Pierre Michel.
“L’optique de focalisation en verre pour les lasers puissants doit être énorme pour éviter les dommages”, a déclaré Edwards. « La puissance du laser se 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 développer un laser qui produit des centaines ou des milliers de fois plus de puissance qu’un système actuel sans agrandir ce système.
Les 50 ans d’expérience
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 du monde, comme les réseaux d’or utilisés pour générer des impulsions petawatt de 500 joules sur le laser Nova dans les années 1990. Néanmoins, des réseaux encore plus grands seraient nécessaires pour les lasers multi-petawatts et exa watts (1 000 térawatts) de nouvelle génération afin de surmonter les limites de fluence optimale (densité d’énergie) imposées par l’optique forte conventionnelle (voir « Lentilles plasma holographiques pour ultra-haute -Lasers de puissance »).
Edwards a remarqué que les optiques constituées de plasma, un mélange d’ions et d’électrons libres, se “adaptent bien à un laser à taux de répétition relativement élevé et à énergie moyenne élevée”. La nouvelle conception pourrait, par exemple, permettre de mettre en service un système laser de dimension similaire au L3 HAPLOS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) sur ELI Beamlines en République tchèque, mais avec 100 fois l’énergie de crête.
L’optique à plasma
Conçu et créé par LLNL et livré à ELI Beamlines en 2017, HAPLS se conçut pour produire 30 joules de puissance dans une durée d’impulsion de 30 femtosecondes (quadrillionième de seconde). Soit égale à un petawatt et le faire à dix hertz (10 impulsions par seconde).
“Si vous imaginez essayer de construire HAPLOS avec 100 fois l’énergie de pointe au même taux de répétition, c’est le type de système où cela serait le plus approprié”, a déclaré Edwards, actuellement professeur adjoint de génie mécanique au Stanford Collège.
“Le réseau peut se reprendre à un taux de répétition très élevé, nous pensons donc qu’un fonctionnement à dix hertz est possible avec ce type de conception. Néanmoins, il ne conviendrait pas à un laser à onde continue à haute énergie moyenne.
Alors que l’optique à plasma s’utilisait avec succès dans les miroirs à plasma, les scientifiques ont déclaré que leur utilisation pour la compression d’impulsions à haute énergie se limitait par la difficulté de créer un grand plasma suffisamment cohérente. Et, également, par la complexité de la dynamique des ondes de plasma non linéaires.
Un laser compact haute puissance à l’aide d’optiques à plasma: le code EPOCH
“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 l’inhomogénéité est un 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 pourtant le code EPOCH de particules dans la cellule (PICTURE), les chercheurs ont déclaré. « Nous nous attendons à ce que cette approche soit capable d’offrir un degré de sécurité non disponible avec d’autres mécanismes de compression à base de plasma et pourrait s’avérer plus faisable. Construire concrètement. » La nouvelle conception “ne nécessite que du gaz comme outil initial, résiste aux variations des conditions du plasma et minimise la quantité 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 à haute énergie.”
Lire l’article original sur les lasers LLNL.
