Les vortex optiques sont des faisceaux de lumière à plan d’onde hélicoïdaux porteurs de moment angulaire orbital (OAM), comme le montre leur capacité à induire un mouvement de rotation de la matière. De par leurs propriétés étonnantes (phase en spirale et intensité distribuée en anneau), ces faisceaux ont d’ores et déjà ouvert la voie à de nouvelles applications (spectroscopie, microscopie, manipulations optiques…) dans les domaines du visible et de l’infrarouge, que l'on cherche naturellement à étendre dans le domaine X-UV.

Les lasers possédant de l'OAM suscitent un intérêt croissant dans la communauté des faisceaux laser ultra-hautes intensités (UHI), puisqu'ils offrent de nouveaux moyens de contrôle des interactions avec la matière : le transfert d'OAM à un plasma modifie profondément la physique des interactions lumière-matière et apporte de nouvelles possibilités sur les deux grandes applications des faisceaux UHI : la production de rayonnement harmonique XUV et la production de faisceaux ultrabrefs de particules de haute énergie.

Dans ce domaine, si un grand nombre d'études théoriques ont été réalisées sur le sujet, aucune expérience n'avait encore démontré ces effets pour les très hautes intensités (I > 10¹⁶ W/cm²), étant donné la difficulté de produire un faisceau laser large et intense avec un front d'onde hélicoïdal. Une équipe de recherche du LIDYL vient de montrer, sur l’installation laser UHI100, qu’il est possible de générer des impulsions lasers porteuses de moment angulaire orbital et de transférer ce moment à un faisceau d’harmoniques générées sur miroir plasma pour des intensités supérieures à 10¹⁹ W/cm². Ces travaux font l’objet de deux publications dans Physical Review Letters [1] et Nature Physics [2].

Deux équipes du CEA LIDYL et du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) ont réussi à mettre en évidence pour la première fois l'accélération d'électrons "dans le vide", par un faisceau laser intense. Cette observation montre qu'il est possible de profiter des très fortes amplitudes de champ électrique des impulsions de lumière laser femtoseconde, que l'on sait aujourd'hui produire, pour accélérer des particules à haute énergie sur de faibles distances.

En concentrant la lumière sur des durées femtosecondes (10^-15 s), les impulsions laser peuvent atteindre des puissances lumineuses instantanées considérables (~ 1 PW, soit 10¹⁵ W) et donc des amplitudes extrêmement élevées du champ électrique associé (~ TéraV/m, soit 10¹³ V/m). Comme les vagues en haute mer ne peuvent faire avancer les navires, ce champ, par nature oscillant, ne peut accélérer à de très hautes énergies des particules chargées. Mais comme le surfeur qui va chercher la vague et en avançant avec elle peut continûment profiter de sa pente, l'injection d'électrons relativistes (avec une vitesse très proche de celle de la lumière) dans le faisceau laser peut théoriquement permettre l'accélération recherchée, en profitant pleinement des champs électriques gigantesques associés aux impulsions laser ultracourtes.

De nombreuses équipes de par le monde ont essayé de mettre en évidence ce phénomène, sans pouvoir en apporter la preuve définitive. Cette accélération "dans le vide" de particules chargées par un champ laser intense vient d'être expérimentalement démontrée par une collaboration entre une équipe de l’IRAMIS et le Laboratoire d’Optique Appliquée (ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau. L'interaction de l'impulsion laser avec une cible solide (miroir plasma) permet d'obtenir l'injection idéale d'électrons qui, surfant sur l'impulsion laser, atteignent des énergies de l'ordre de 10 MeV sur une distance de 80 µm. Cette première ouvre ainsi la perspective d’utiliser des faisceaux laser intenses pour réaliser des accélérateurs compacts d'électrons de très haute énergie.

L'interaction d'une impulsion laser intense avec une surface solide fait violemment osciller le cortège électronique, entrainant l'émission de protons. C'est une méthode pour obtenir une source de protons de haute énergie pour de nombreuses applications (imagerie et proton thérapie par exemple).

Deux équipes de l’IRAMIS appartenant au SPAM (Physique à Haute Intensité) et au LSI (Interaction Laser-Solide) ont montré, pour la première fois, qu’à l'aide de surfaces structurées, il est possible de renforcer l’efficacité du couplage avec le faisceau laser, via l’excitation résonante d’ondes de surface en régime relativiste, et d'obtenir ainsi des protons de plus haute énergie. La démonstration expérimentale de ce mécanisme original ouvre une voie pour améliorer la production par laser de faisceaux de particules énergétiques.