Les lasers à l'IRAMIS
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Les lasers : aujourd’hui et demain à l 'IRAMIS.
Pascal d'Oliveira
Parmi les nombreux lasers implantés à l'IRAMIS, la plateforme de serveurs laser SLIC (Saclay Laser Matter Interaction Center) tient une place particulière. Alors que les lasers de l'IRAMIS sont habituellement attachés à une équipe ou à un Service particulier, SLIC est une plateforme mutualisée ouverte à tous les chercheurs de l'IRAMIS. Les chercheurs extérieurs au CEA peuvent également accéder aux installations de SLIC au travers d'appels d'offres lancés au niveau national et au niveau européen.
La plateforme laser SLIC comprend trois lasers principaux appelés LUCA, PLFA et UHI. Le point commun de ces lasers est de produire des impulsions lumineuses à la fois très courtes et très puissantes : la durée des impulsions est de quelques dizaines de femtosecondes (fs) seulement (1 fs = 10-15s) tandis que leur puissance instantanée relève du Terawatt (1 TeraWatt = 1 TW = 1012W) et atteint même 100 TW sur le laser UHI. Dans le langage des laséristes, les lasers du SLIC sont appelés lasers Terawatt compacts ou lasers T3 pour " Table-Top Terawatt". Le milieu laser utilisé est le Titane-Saphir, milieu cristallin émettant dans une large plage centrée autour de 800 nm, à la limite entre le visible et l'infra-rouge. Au sein de SLIC,
- UHI est le laser le plus puissant : il produit des impulsions de 100 TW à 10 Hz.
- PLFA est le laser le plus récurrent, délivrant à 1 kHz des impulsions de 0.4TW.
- LUCA, est un serveur multi-utilisateurs pouvant accueillir 5 expériences simultanément avec une puissance par impulsion allant jusqu'à 1 TW, à la cadence de 20Hz.
Les lasers T3 sont apparus au milieu des années 80 quand Gérard Mourou proposa et démontra un nouveau schéma d'amplification permettant de produire une impulsion intense à partir de barreaux laser de taille centimétrique. Cette technique appelée CPA, pour "Chirped Pulse Amplification", consiste à étirer temporellement à plusieurs centaines de picosecondes une impulsion de faible énergie initialement femtoseconde avant de l'amplifier dans une série d'amplificateurs jusqu' à une énergie de l'ordre du Joule. L'impulsion amplifiée est ensuite recomprimée temporellement à sa durée femtoseconde initiale. Cette manipulation de la durée de l'impulsion permet de maintenir dans les amplificateurs un écoulement de l'énergie suffisamment progressif pour éviter de les endommager par des phénomènes non linéaires, comme l'autofocalisation Kerr, qui se produisent lorsque des champs electromagnétiques élevés transitent dans des milieux optiques denses tels que les barreaux d'amplification laser.
L'intérêt des lasers femtoseconde intenses est double. La faible durée d'impulsion va permettre d'étudier des phénomènes ultra-rapides en physique et en chimie avec une résolution temporelle sub-picoseconde. On peut parler de stroboscopie ultra-rapide. Par exemple, la durée femtoseconde correspondant à la période de vibration des atomes dans les molécules, l'une des applications des lasers femtosecondes va concerner l'étude cinétique du déroulement de réactions chimiques. Ce domaine est appelé femtochimie et a été honoré par l'attribution d'un prix Nobel à A. Zewail en 1999. D'autre part, en concentrant l'énergie pourtant assez modeste (<1J) de l'impulsion sur des temps très faibles, on peut atteindre les puissances très élevées requises pour l'étude de la physique en champ fort ou à ultra haute intensité. Ces domaines de la physique sont des extensions de l'optique non linéaire vers des éclairements plus élevés. Les éclairements correspondant, obtenus au foyer d'optiques focalisantes, sont de l'ordre de 1014W/cm2 pour la physique en champ fort ; ils peuvent dépasser 1019 W/cm2 pour la physique à ultra haute intensité. Cette valeur, supérieure au champ électrique intra-atomique, correspond à l'éclairement qui serait atteint si le rayonnement émis par le soleil était concentré à l'intérieur d'une pièce d'une dizaine de m2. L'étude du comportement de la matière soumise à une telle irradiation lumineuse est un domaine de recherche encore neuf qui a déjà révélé des phénomènes spectaculaires tels que la génération d'harmoniques élevées ou l'accélération de particules.
Il permet de réduire d’un facteur 10000 la durée des impulsions lumineuses et d’augmenter d’autant la puissance du laser.
La gestion de la plateforme SLIC est confiée à une équipe d'une dizaine d'opticiens alliant techniciens, ingénieurs et physiciens. Outre l'exploitation des lasers UHI, LUCA et PLFA, cette équipe poursuit des programmes de R&D visant à maintenir la compétitivité des lasers du SLIC au meilleur niveau international et à développer les diagnostics optiques nécessaires à leur caractérisation fine. Ces diagnostics couvrent en particulier la détermination des caractéristiques temporelles de l'impulsion. Il peut s'agir de reconstituer l'allure générale de l'impulsion ou de déterminer son contraste temporel, c'est-à-dire estimer le niveau de l'énergie parasite présente en amont de l'impulsion principale. Ces travaux sont souvent réalisés en proche collaboration avec des partenaires industriels.
Chaque année, plus de 80 scientifiques, dont un tiers sont extérieurs au CEA, utilisent les lasers du SLIC. SLIC est une grande infrastructure européenne depuis 2003 et membre du consortium européen LASERLAB depuis 2004.
Derniers faits marquants sur les lasers à l'IRAMIS
- Cristaux scintillateurs : trop de photons tue le photon !
- Imagerie attoseconde d’orbitales moléculaires
- La dynamique cohérente des Miroirs Plasmas
- Des molécules pour contrôler les impulsions lumineuses à l'échelle attoseconde
L'IRAMIS s'est doté de trois "gros" systèmes lasers femtosecondes - PLFA, LUCA, UHI100 -, installés dans les locaux du SPAM qui en assure la mise en œuvre et porte la R&D associée (voir § SLIC). Les lasers sont accessibles aux utilisateurs de l'IRAMIS et du CEA, mais aussi aux utilisateurs nationaux (offre de temps laser commune aux Laboratoires d'Optique Appliquée de l'ENSTA-Ecole Polytechnique et IRAMIS-SLIC) et européens (FP7-I3 Laserlab-2).
A côté des trois "gros" systèmes ci-dessus, les labos de l'IRAMIS disposent de plusieurs lasers spécifiques également ouverts aux utilisateurs CEA et extérieurs.
Chaque chaîne laser a ses caractéristiques propres permettant d'atteindre les meilleures performances en durée d'impulsion, puissance ou domaine de longueur d'onde ainsi que d'accordabilité. Les applications utilisent principalement les lasers femtosecondes (10-12 s) dont les caractéristiques essentielles sont les suivantes :
Source laser primaire : laser ionique Ar (514.5 nm), Nd:YAG, Nd:YLF, and Nd:YVO doublés en fréquence (527-532 nm).
Source laser secondaire : Lasers accordables Ti:saphir (Ti:Al2O3) lasers, titanium-sapphire lasers, or simply Ti:sapphs) are tunable lasers which emit red and near-infrared light in the range from 650 to 1100 nanometers.
•1. Durée ultra-brève des impulsions, typiquement de 40 fs à moins de 10 fs. Les impulsions de lumière (800 nm pour les systèmes Ti:saphir) présentent des propriétés de cohérence - de phase spectrale/temporelle et spatiale qui sont bien définies - permettant de varier à la demande, le profil temporel ou spatial de l'impulsion. Le calage de l'onde porteuse dans l'enveloppe de l'impulsion (on parle de stabilisation de la phase), en cours de réalisation sur la chaîne PLFA, introduit un degré supplémentaire de contrôle dans les applications.
•2. Puissance crête très élevée : du TW à la centaine de TW (1 térawatt (TW) = 1015 W) . Elle permet d'atteindre des éclairements (densité de puissance par unité de surface) considérables générant un champ électrique pouvant être supérieur au champ intra atomique (Eat = 5.109 V/cm, soit Iat ~ 7.1016 W/cm2). L'interaction avec la matière en phase gazeuse ou condensée est alors très fortement non linéaire (ionisation multiple en régime tunnel, génération d'harmoniques dans les gaz), jusqu'à atteindre les régimes dits relativiste et ultra-relativiste (génération d'harmoniques dans les plasmas, accélération d'électrons et d'ions).
•3. Sources secondaires, soit de lumière dans le domaine spectral extrême-UV, soit de particules énergétiques, électrons et ions, par interaction fortement non linéaire/ en régime relativiste avec une cible gazeuse ou solide (voir ci-dessous). Les sources secondaires de lumière extrême-UV (XUV, par génération d'harmoniques d'ordre élevé) étendent notoirement l'accordabilité des lasers femtosecondes, que l'on obtient déjà dans le visible-UV par des techniques d'optique non-linéaire classiques. Les impulsions de lumière XUV peuvent avoir une durée d'une centaine d'attosecondes (1 as = 10-18 s).
•4. Les sources primaires et secondaires sont parfaitement synchronisées entre elles. On peut ainsi imaginer de nombreux schémas d'excitation à plusieurs fréquences, des études dynamiques résolues en temps de type pompe-sonde.
Les applications des sources femtosecondes primaires et secondaires intéressent plusieurs grands domaines d'activité, en tirant parti de ces propriétés. Tous les domaines de la physique femtoseconde à haute intensité sont représentés à l'IRAMIS. De plus, l'IRAMIS contribue aux études de la matière à forte densité d'énergie, telle que les plasmas produits sur les lasers de très forte énergie (LULI, LIL et, LMJ à partir de 2012).
