L'amplificateur laser haute puissance à gain le plus élevé au monde - de plusieurs ordres de grandeur - a été développé dans le cadre de recherches menées à l'Université de Strathclyde.

Les chercheurs ont démontré la faisabilité de l'utilisation du plasma pour amplifier de courtes impulsions laser d'énergie de niveau picojoule jusqu'à 100 millijoules, qui est un "gain" ou amplification de plus de huit ordres de grandeur - qui pourrait être assimilé à l'amplification du bruissement des feuilles à celui d'un jumbo jet - dans seulement deux mm de plasma.

Ils ont utilisé des impulsions de 150 J du puissant système laser Vulcan de la Central Laser Facility (CLF) du Science and Technology Facilities Council. Au cours de deux expérimentations pionnières au CLF, les scientifiques ont travaillé en étroite collaboration avec le personnel du CLF pour adapter le laser Vulcan afin que deux lasers de couleurs différentes puissent échanger de l'énergie dans un plasma. Le coefficient de gain mesuré de 180 cm-1 est plus de 100 fois supérieur à celui des amplificateurs de système laser haute puissance existants basés sur des supports à semi-conducteurs.

Les résultats ont été publiés dans la revue Rapports scientifiques , dans un article intitulé Un amplificateur à ultra-haut gain et efficace basé sur l'amplification Raman dans le plasma.

Professeur Dino Jaroszynski, du département de physique de Strathclyde, dirigé la recherche. Il a déclaré:"L'amplification Raman dans le plasma est un concept fascinant qui combine les idées du lauréat du prix Nobel de physique CV Raman avec le plasma, physique optique et laser.

Ici, un temps relativement long, une impulsion laser à haute énergie est amenée à entrer en collision dans le plasma avec une courte, impulsion de très faible énergie. Au point où ils entrent en collision, ils produisent une onde de battement, un peu comme celle de deux vagues d'eau en collision. La légère pression du motif de battement entraîne les électrons du plasma dans un motif ou un échelon régulier qui imite l'onde de battement. Cet échelon multicouche agit comme une très haute réflectivité, miroir variable dans le temps qui balaie l'énergie de l'impulsion de haute énergie en la reflétant dans l'impulsion de basse énergie, amplifiant ainsi l'impulsion de faible énergie et comprimant son énergie en une impulsion lumineuse ultra-courte.

"Nos résultats sont très significatifs dans la mesure où ils démontrent la flexibilité du milieu plasma en tant que milieu amplificateur à très haut gain. Nous montrons également que l'efficacité de l'amplificateur peut être assez importante, au moins 10 %, ce qui est sans précédent et peut être encore augmenté. Cependant, il montre également ce qu'il reste à comprendre et à contrôler pour atteindre un seul étage à haut gain, module amplificateur à haut rendement.

« Un exemple des défis auxquels nous sommes encore confrontés est de savoir comment gérer l'amplification du « bruit » produit par les fluctuations aléatoires du plasma, ce qui est exacerbé par le gain extrêmement élevé. Cela conduit à des canaux indésirables pour l'évacuation de l'énergie. Nous faisons d'excellents progrès et pensons que nous sommes en excellente position pour résoudre ces problèmes lors de nos prochaines campagnes expérimentales."

Dr Gregory Vieux qui a dirigé l'équipe de recherche travaillant au CLF, a déclaré : « Le plasma est un milieu très attrayant pour travailler. Il n'a pas de seuil de dommages car c'est déjà un milieu entièrement décomposé, par conséquent, nous pouvons l'utiliser pour amplifier de courtes impulsions laser sans avoir besoin d'étirer et de re-compresser. Un autre avantage est qu'une compression supplémentaire pendant l'amplification est théoriquement possible. Cela pourrait ouvrir la voie au développement de la prochaine génération de systèmes laser délivrant des impulsions ultra-intenses et ultra-courtes et à une fraction du coût des lasers existants.

"Toujours, nous n'en sommes pas encore là. Le schéma repose sur le contrôle de l'instabilité Raman. Il a un facteur de croissance si important qu'il peut se développer et croître à partir de petites fluctuations plasmatiques."

Les amplificateurs laser sont des dispositifs qui amplifient la lumière. Dans ceux qui nous sont familiers, cela se fait en synchronisant l'émission lumineuse des électrons dans les atomes ou la matière à l'état solide, pour le rendre cohérent, ce qui est une étape nécessaire pour atteindre des puissances très élevées. Cependant, les lasers de très haute puissance à la frontière de la technologie sont limités par l'endommagement de leurs composants optiques et de leurs supports d'amplification. Cela les rend très grands et très coûteux.

Plasma, le milieu omniprésent de l'univers, offre un moyen de contourner cette limitation car il est très robuste et résistant aux dommages - le plasma peut être considéré comme une matière déjà décomposée en ses plus petits éléments constitutifs :les électrons et les ions. En exploitant les ondes dans le plasma, nous pouvons réduire considérablement la taille des amplificateurs laser tout en offrant une voie vers des puissances de crête beaucoup plus élevées que possible actuellement, dépassant la gamme des pétawatts pour atteindre éventuellement les exawatts. C'est un objectif très louable car des impulsions laser très intenses peuvent être utilisées pour des études fondamentales, telles que l'accélération des particules, aider à conduire la fusion nucléaire ou même extraire des particules du vide et recréer les conditions à l'intérieur des étoiles ou la condition primordiale de l'univers en laboratoire.

Les lasers les plus puissants au monde seront disponibles pour une utilisation dans trois centres de recherche faisant partie du projet European Extreme Light Infrastructure (ELI). Ce projet de 850 M€ est dédié à l'étude des interactions lumière-matière aux intensités les plus élevées et aux échelles de temps les plus courtes. La puissance laser à ELI sera de 1016 watts ou 5% de la puissance totale du soleil qui est absorbée sur la terre à tout moment. Ces lasers conduiront à de nouvelles sciences et technologies qui pourraient, par exemple, transformer notre compréhension de la physique des champs élevés et aboutir à de nouvelles modalités de radiothérapie pour le traitement du cancer. Il est nécessaire de réduire le coût de la technologie laser, que le plasma pourrait offrir. Le plasma peut être une voie vers des puissances plus élevées pour aller au-delà de celles disponibles à l'ELI pour atteindre des puissances d'exawatt.