Lasers illuminant les frontières de la connaissance

Etxebeste Aduriz, Egoitz

Elhuyar Zientzia

Quand en 1960 Theodore Maiman a inventé le laser ne servait à rien. Ils sont maintenant où ils sont. De nouveaux types de laser capables de capter des puissances incroyables ont également émergé dans un court laps de temps, difficile à comprendre, jusqu'à se rapprocher de ce qui se passe au cœur d'une étoile. Les experts ont une idée dans une certaine mesure pour ce qu'ils serviront.
laserrak-ezagutzaren-mugak-argitzen
Ed. © Ecole Polytechnique/J. Barande

En ce qui concerne les lasers ultra-rapides à haute intensité, le Prix Nobel Gerard Mourou affirme qu'en ce moment les applications de ce type de laser sont plus nombreuses que celles qui existent, bien qu'il reconnaisse que beaucoup de ces applications doivent encore être testées. Ces déclarations ont été faites en mai dernier à Salamanque, l'un des centres laser les plus importants pour démontrer certaines de ces applications possibles: Centre CLPU (Centre de Lasers Pulsés).

Donna Strickland et Mourou ont révolutionné le monde des lasers au milieu des années 80 lorsqu'ils ont inventé la façon d'augmenter l'intensité des lasers. À cette époque, il semblait avoir atteint la limite d'intensité que les lasers pouvaient avoir, car s'ils essayaient d'augmenter l'intensité, le matériau amplificateur était détruit. Cependant, Strickland et Mourou ont conçu une nouvelle technique qui dépassait ce problème: Technique CPA (Chirped Pulse Amplification): à partir d'un pouls très court, le pouls a été étiré, puis amplifié et finalement comprimé, il a été démontré qu'il pouvait augmenter beaucoup l'intensité. L'année dernière, il a reçu le prix Nobel de physique pour ce travail.

Depuis son invention est devenue une technique de base pour la fabrication de lasers d'intensité croissante. Le centre CLPU de Salamanque a accueilli l'année dernière le troisième laser le plus puissant du centre : VEGA-3. Dans ce type de laser, il est parmi les dix plus intenses au monde. Il a une puissance d'un petawatt, 1.000.000.000.000.000 ou 1015 watts, environ 25.000 fois plus que la puissance électrique de toute l'Espagne.

Jon Apiñaniz Aginako. Chercheur CLPU.

Impulsions ultraviolettes

Cependant, il ne nécessite pas beaucoup d'énergie pour l'obtenir, car les impulsions au laser sont très courtes, de 30 femtosecondes. Une femtosseconde est de 10 à 15 secondes, soit 0,00000000001 secondes. Une femtoseconde a en une seconde la même proportion qu'une seconde dans l'âge de l'univers. Voici la clé pour obtenir ce type de puissances. « La caractéristique la plus importante de ces lasers est leur caractère pulsatile, selon Jon Apiñaniz, chercheur du CLPU d’Aginako, c’est-à-dire que les lasers conventionnels génèrent un flux continu de lumière et, dans ce cas, des balles de lumière sont lancées en concentrant une grande quantité de lumière dans un temps très court, obtenant des puissances énormes».

Ces balles de lumière sont des billes microscopiques de lumière de tant d'énergie qui mettent la matière en contact dans l'état de plasma. « Dans l’état de plasma, le comportement de la matière est très différent. Nous utilisons le laser pour étudier cela, nous transférons la matière à des niveaux d’énergie très élevés, semblables à ceux d’une centrale nucléaire ou à ceux des noyaux des étoiles », explique Apiñaniz. Ces lasers servent principalement à effectuer des études de physique nucléaire, astrophysique de laboratoire et physique de base en général.

Les ressources CLPU sont à la disposition des chercheurs du monde entier. Les demandes reçues, ainsi que celles de leurs chercheurs, sont analysées par un comité externe. Et cette commission décide comment distribuer les ressources. Les demandes ne manquent pas. Et c'est que le laser VEGA-3, en plus de la puissance, a une autre caractéristique très attrayante pour les chercheurs: la rapidité. Vous pouvez tirer une impulsion par seconde. Dans les lasers de cette puissance il n'y a que deux autres dans le monde qui peuvent le faire. « C’est très important, explique Apiñaniz, les expériences sont complexes et il y a une grande variabilité de tirs à coups, il faut donc accumuler des données pour qu’elles soient statistiquement valides. Dans de nombreux lasers, il peut être nécessaire une heure ou une heure d’attente entre les tirs, pour refroidir les condensateurs, recharger, etc., ce qui rend difficile l’accumulation de données ».

Centre CLPU à Salamanque. ED. : © Yaiza Cortes/CLPU.

Défi technologique et scientifique

Construire et maintenir un laser capable de lancer des balles de lumière chaque seconde de 30 femtosecondes et un petawatt n'est pas une tâche facile. « C’est un véritable défi technologique et scientifique », déclare Apiñaniz. «La pureté des verres doit être très précise; ils doivent être maintenus à une température très déterminée; le laser, une fois amplifié, ne peut pas passer par les verres parce qu’ils les détruiraient, de sorte que les verres doivent être remplacés par des miroirs de divers types (sphériques, paraboliques…); le laser doit voyager dans le vide, sinon l’air ioniserait aussi et deviendrait plasma…».

Et pouvoir mesurer ce qui se passe dans les expériences réalisées au laser est un autre défi. « C’est une de ses grandes clés. Il n'est pas facile de mesurer les caractéristiques temporelles du pouls. Ici, il ne sert pas à installer des capteurs de lumière. L'électronique ne fonctionne pas à ces vitesses. Il faut utiliser des méthodes optiques », explique Apiñaniz. « Et pour savoir ce qui se passe dans la réalisation de l’expérience, nous devons développer des techniques diagnostiques suffisamment rapides pour que cela soit possible. Tel est le travail de notre unité scientifique. Nous utilisons différentes méthodes. Par exemple, nous dévions une petite partie du laser pour faire un chemin plus long et arriver quelques femtosecondes plus tard, en tirant ainsi une photo de l'expérience quelques femmesecondes plus tard. En outre, nous utilisons des caméras à rayons X; spectromètres de particules pour savoir quelles particules ont été formées et quelle énergie elles ont, etc.”

« Pour prendre une photo de la nature sur ces échelles, vous avez besoin d’interactions plus rapides que celles que vous voulez étudier », explique Apiñaniz. «Les phénomènes astrophysiques, comme les processus qui se produisent dans les noyaux des étoiles, ou les excitations des noyaux des atomes, ou des électrons, les changements dans les états quantiques de la matière, etc., se produisent à des échelles de femtosecondes ou attosecondes, au maximum en nanosecondes».

Jon Apiñaniz dans le domaine de l'expérimentation du laser VEGA-2 (200 thérapies). ED. : © Javier Sastre/CLPU.

Fusion à destination

Parmi les sujets qui sont étudiés avec des lasers CLPU et similaires, Apiñaniz se distingue un au-dessus de tous: « Le but ultime de ce type de lasers les plus puissants est d’enquêter sur la fusion nucléaire. » C'est un processus anti-fission dans les centrales nucléaires, la fusion. Au lieu de briser un atome lourd et instable, il s'agit de fusionner deux atomes légers, de la même manière que dans les étoiles se forme un atome d'hélium avec deux atomes d'hydrogène. Cela donnerait une énergie énorme, sans générer de déchets radioactifs.

C'est un rêve ancestral, mais fusionner des atomes légers est très difficile. Obtenir des pressions ou des températures extrêmes. La stratégie consiste à augmenter la température par confinement magnétique sur des réacteurs comme ITER. Avec Laser, l'objectif serait d'atteindre des pressions extrêmes. Un combustible solide serait lancé des impulsions laser partout à la fois, dont la pression provoquerait une énorme compression du combustible et une fusion. « Ce serait la dernière application que nous avons tous en tête, même si elle est encore loin », reconnaît Apiñaniz.

Applications les plus proches

Intérieur du laser VEGA-3, un des points d'amplification du laser. ED. : © Enrique García/CLPU.

Cependant, il existe des applications qui pourraient être beaucoup plus proches. « La contribution de ce type d’énergie à la matière implique des processus de physique nucléaire comme l’accélération des particules », explique Apiñaniz. « Par exemple, les protons s’accélèrent comme des accélérateurs comme le lhc, mais avec moins d’énergie et des installations beaucoup plus petites. Cela peut être utile en médecine nucléaire ou en proto-thérapie”.

Actuellement, en médecine, des accélérateurs de particules sont utilisés pour obtenir les isotopes radioactifs nécessaires à la réalisation de tomographies d'émission de positons (PET). Ce sont de grandes installations et rares. « Nous pouvons optimiser ces lasers pour créer ces isotopes dans des installations beaucoup plus petites et utiles », explique Apiñaniz. “Et cela pourrait être fait dans n'importe quel hôpital”.

Apiñaniz le voit assez près. Et de la protothérapie, qui peut coûter quelque chose de plus, croit que vous pouvez obtenir dans un proche avenir. La radiothérapie est une technique dans laquelle les rayons X conventionnels sont remplacés par des protons. Le rayonnement d'une tumeur aux rayons X affecte également gravement les tissus environnants. Dans les cas où la tumeur est profonde, cela peut être un problème grave, car il affecte beaucoup ce qui est avant et après la tumeur. Les protons, quant à eux, peuvent agir exactement à la profondeur désirée. Pour ce faire, cependant, « il faut beaucoup de protons et un certain niveau d’énergie, qui ne peut actuellement être atteint que par de grands accélérateurs de protons », explique Apiñaniz. «Cependant, grâce à Lasers, nous pourrions l’obtenir dans des installations beaucoup plus petites, et alors je serais à la portée de beaucoup plus de gens, car aujourd’hui c’est très peu possible».

Mourou, lors de la conférence de presse qu'il a offert à Salamanque, a annoncé qu'il pouvait être obtenu dans un délai d'environ cinq ans. Le prix Nobel a également souligné une autre application étudiée ces dernières années : le traitement des déchets nucléaires. « L’énergie nucléaire pourrait être une excellente source d’énergie, mais nous devons résoudre le problème des déchets nucléaires », a déclaré Mourou. « Avec ces lasers à haute intensité, nous pouvons produire des particules de grande énergie, avec lesquelles on peut produire la transmutation des déchets nucléaires, de sorte que la radioactivité de ces déchets passe de millions d’années à être seulement de quelques années, ou de quelques jours. Le laser [du CLPU] sert à le démontrer, mais pour pouvoir l'appliquer, il faudrait vraiment disposer de lasers plus efficaces qui n'existent pas encore», a-t-il ajouté.

Le laser L3-HAPLS du centre ELI-Beam est désormais disponible en République tchèque. ED. : LLNL.

Projet européen géant

En attendant, bien que retardé par certains problèmes administratifs et politiques, le projet européen géant Extreme Light Infrastructure (ELI) est sur le point d'être en cours. Trois centres constitueront la CDR. En République tchèque, au centre ELI-Beam, ils utiliseront les impulsions de quatre lasers comme source de rayons X, électrons et protons. Les impulsions seront femtosecondes et le plus fort des quatre lasers prendra 10 PW. En Hongrie, ELI-Attosecond comptera cinq lasers qui produiront des impulsions encore plus courtes (de l'échelle des attosecondes). Enfin, en Roumanie, ELI-Nuclear Physics comptera deux sources de rayons laser et gamma de 10 PW.

Quand elle sera lancée, l'ELI créera des conditions physiques jamais vues. Et les scientifiques sont intéressés par ce qui va arriver en jetant de fortes impulsions laser. « La vérité est que je ne sais pas non plus ce que nous pouvons attendre. Nous sommes dans les limites de la connaissance, même dans les limites de la technique », explique Apiñaniz.

Gehitu iruzkin bat

Saioa hasi iruzkinak uzteko.

Babesleak
Eusko Jaurlaritzako Industria, Merkataritza eta Turismo Saila
MAIER Koop. Elk.
KIDE Koop. Elk.
ULMA Koop. Elk.
EIKA Koop. Elk.
LAGUN ARO Koop. Elk.
FAGOR ELECTRÓNICA Koop. Elk.