Pouvoir Extrême: Briser la limite de 10 péta-watts avec une nouvelle amplification laser

Amplification cohérente du laser au saphir de titane carrelé. Crédit: Yuxin Leng

Les lasers ultra-intenses ultracourts ont un large champ d'application, englobant la physique fondamentale, la sécurité nationale, les services industriels et les soins de santé. En physique fondamentale, ces lasers sont devenus un puissant outil pour la recherche en physique des lasers à champ fort, notamment pour les sources de rayonnement entraînées par laser, l'accélération des particules par laser, l'électrodynamique quantique du vide, et ainsi de suite.

Une augmentation spectaculaire de la puissance laser de crête, du "Nova" de 1 pétaWatt en 1996 au "Shanghai Super-intense Ultrafast Laser Facility" (SULF) de 10 pétaWatt en 2017 et au "Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics" (ELI-NP) de 10 pétaWatt en 2019, est due à un changement du milieu de gain pour les lasers à grande ouverture (du "verre dopé au néodyme" au "cristal de saphir de titane"). Ce changement a réduit la durée d'impulsion des lasers de haute énergie d'environ 500 femtosecondes (fs) à environ 25 fs.

Cependant, la limite supérieure des lasers ultra-intenses ultracourts au saphir de titane semble être de 10 pétaWatt. Actuellement, pour la planification du développement de 10 à 100 pétaWatt, les chercheurs abandonnent généralement la technologie d'amplification d'impulsion chirpée au saphir de titane, et se tournent vers la technologie d'amplification d'impulsion chirpée paramétrique optique, basée sur des cristaux non linéaires de phosphate de déutérium de potassium.

Cette technologie, en raison de son faible rendement de conversion pompe-signal et de sa faible stabilité spatiotemporelle-spectrale-énergétique, posera un grand défi pour la réalisation et l'application des lasers futurs de 10 à 100 pétaWatt. En revanche, la technologie d'amplification d'impulsion chirpée au saphir de titane, en tant que technologie mature qui a réalisé avec succès deux lasers de 10 pétaWatt en Chine et en Europe, présente encore un grand potentiel pour le développement ultérieur des lasers ultra-intenses ultracourts.

Le cristal de saphir de titane est un milieu de gain laser de large bande d'énergie. L'impulsion de pompage est absorbée pour créer une inversion de population entre les niveaux d'énergie supérieur et inférieur, ce qui complète le stockage d'énergie. Lorsque l'impulsion de signal traverse plusieurs fois le cristal de saphir de titane, l'énergie stockée est extraite pour l'amplification du signal laser. Cependant, dans le lasing parasitaire transversal, un bruit d'émission spontanée amplifiée le long du diamètre du cristal consomme l'énergie stockée et réduit l'amplification du laser de signal.

Actuellement, l'ouverture maximale des cristaux de saphir de titane ne peut supporter que des lasers de 10 pétaWatt. Même avec des cristaux de saphir de titane plus grands, l'amplification laser n'est toujours pas possible car le lasing parasitaire transversal augmente de manière exponentielle à mesure que la taille des cristaux de saphir de titane augmente.

En réponse à ce défi, les chercheurs ont adopté une approche novatrice qui consiste à carreler de manière cohérente plusieurs cristaux de saphir de titane ensemble. Comme indiqué dans Advanced Photonics Nexus le 23 décembre 2023, cette méthode permet de dépasser la limite actuelle de 10 pétaWatt sur les lasers ultra-intenses ultracourts au saphir de titane, en augmentant efficacement le diamètre d'ouverture de l'ensemble du cristal de saphir de titane carrelé et en réduisant également le lasing parasitaire transversal dans chaque cristal carrelé.

L'auteur correspondant Yuxin Leng de l'Institut de l'optique et de la mécanique fine de Shanghai note: "L'amplification cohérente du laser au saphir de titane carrelé a été réalisée avec succès dans notre système laser de 100 téraWatt (c'est-à-dire 0,1-pétaWatt). Nous avons obtenu une amplification laser quasi-idéale en utilisant cette technologie, notamment des rendements de conversion élevés, des énergies stables, des spectres à large bande, des impulsions courtes et des taches focales réduites."

L'équipe de Leng rapporte que l'amplification cohérente du laser au saphir de titane offre un moyen relativement facile et peu coûteux de dépasser la limite actuelle de 10 pétaWatt. "En ajoutant un amplificateur laser haute énergie en saphir de titane carrelé 2×2 au SULF de la Chine ou à l'ELI-NP de l'UE, les 10 pétaWatt actuels peuvent être augmentés à 40 pétaWatt et l'intensité de crête focale peut être multipliée par près de 10 fois ou plus", déclare Leng.

Cette méthode promet d'améliorer les capacités expérimentales des lasers ultra-intenses ultracourts pour la physique des lasers à champ fort.