Une nouvelle étude appelle les États-Unis à intensifier leurs efforts de R&D laser pour mieux concurrencer les grands efforts étrangers visant à construire de grands, systèmes laser haute puissance, et note les progrès et les jalons au centre Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) du ministère de l'Énergie et sur d'autres sites.

Un investissement dans cette soi-disant « deuxième révolution laser » promet d'ouvrir un champ d'applications, de l'usinage à la médecine en passant par l'accélération des particules, selon le rapport de décembre des National Academies of Sciences, Ingénierie, et médecine, qui propose une analyse indépendante aux agences gouvernementales et aux décideurs.

Le rapport de 280 pages, « Opportunités dans les lasers ultrarapides intenses :atteindre la lumière la plus brillante », recommande une coordination et une collaboration accrues de la part des laboratoires et organismes gouvernementaux, les universités, et l'industrie pour construire des installations et des capacités laser aux États-Unis.

Il recommande également que le DOE dirige la création d'une stratégie nationale pour développer et exploiter des projets laser nationaux à grande échelle en laboratoire, projets de moyenne envergure pouvant potentiellement être hébergés dans des universités, et un programme de transfert de technologie laser reliant l'industrie, universitaire, et les laboratoires nationaux.

Le comité qui a préparé le rapport a visité le Berkeley Lab et d'autres laboratoires nationaux du nord de la Californie, y compris SLAC National Accelerator Laboratory et Lawrence Livermore National Laboratory. Le comité a également visité le site de l'installation laser Extreme Light Infrastructure Beamlines en cours en République tchèque, et le Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester à New York.

Au laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE (Berkeley Lab), Les scientifiques de BELLA travaillent au développement de techniques d'accélération laser qui pourraient conduire à des accélérateurs de particules plus compacts pour la physique des hautes énergies et des pilotes pour les sources lumineuses à haute énergie; aussi, le rapport note, « l'expertise et l'utilisation des lasers » qui avaient été concentrées dans d'autres laboratoires « s'élargit maintenant avec des plans d'utilisation des lasers à (Berkeley Lab) » et ailleurs.

BELLA a fait des progrès dans la démonstration de l'accélération rapide des électrons en utilisant des étapes séparées d'accélération laser en formant et en chauffant des plasmas dans lesquels une puissante onde est créée sur laquelle les électrons « surfent ».

« Il y a déjà beaucoup de travail qui a été fait, et Berkeley Lab a été un développeur clé pour la vision de l'endroit où les choses doivent aller, " a déclaré Wim Leemans, directeur du BELLA Center et de la division Accelerator Technology &Applied Physics du Lab.

Berkeley Lab a été le foyer d'une expérience pionnière) en 2004 qui a montré que l'accélération du plasma laser peut produire des faisceaux de propagation d'énergie relativement étroits - rapporté dans le numéro dit "Dream Beam" du journal La nature - et en 2006 a utilisé une technique d'accélération laser similaire pour accélérer les électrons à une énergie alors record de 1 milliard d'électrons-volts, ou GeV. Cette réalisation a été suivie en 2014 par un faisceau de 4,2 GeV, en utilisant le nouveau laser puissant qui est au cœur du Centre BELLA et sera la clé de sa campagne en cours pour le 10 GeV. En 1996, Berkeley Lab a également enregistré la première démonstration d'impulsions de rayons X d'une durée de quelques quadrillions de seconde avec une technique connue sous le nom de "diffusion Compton inverse, " note le rapport.

K-BELLA :allier vitesse et puissance

"Ce que l'industrie voit, c'est la poussée vers des lasers de puissance moyenne plus élevée et des lasers ultrarapides, et cela commence à avoir un impact sur l'usinage et les applications industrielles, " a déclaré Leemans. " C'est une très bonne nouvelle pour nous. " Dans le jargon du laser, la puissance moyenne se rapporte à la puissance totale du laser au fil du temps, compter les impulsions et le "temps d'arrêt" entre les impulsions, tandis que la puissance de crête est celle d'une impulsion individuelle.

Une cadence de tir rapide d'impulsions de haute puissance donne à un laser une puissance moyenne plus élevée et peut potentiellement être appliqué à un plus large éventail d'utilisations. Le rapport des National Academies recommande que les parties prenantes scientifiques américaines s'efforcent de définir les spécifications techniques des objectifs de performance laser, tels que les objectifs de puissance de crête, taux de répétition, durée des impulsions, et la longueur d'onde de la lumière laser.

En 2012, le laser du Centre BELLA a établi un record en délivrant une puissance d'un pétawatt (quadrillion de watts) sous forme d'impulsions mesurant 40 quadrillionièmes de seconde de longueur et au rythme d'un par seconde.

Un nouvel objectif est d'augmenter ce pouls à 1, 000 par seconde, ou un kilohertz, pour une mise à niveau de nouvelle génération baptisée K-BELLA. Production de pouls jusqu'à 10, 000 ou 100, 000 par seconde pourrait rendre cette machine pertinente pour un nouveau type d'accélérateur de particules à laser.

« Il existe de nombreuses applications pour un laser de style k-BELLA, " a déclaré Leemans. La vision est que k-BELLA soit une installation de recherche collaborative qui serait ouverte aux scientifiques de l'extérieur du laboratoire, il a dit, qui se synchronise également avec les recommandations du rapport pour favoriser un environnement plus coopératif pour la science et les scientifiques du laser. La création et le maintien de connexions avec d'autres centres laser de classe mondiale sont également essentiels pour le programme laser américain, note le rapport.

Une autre mise à niveau qui peut être utile au programme laser américain est l'ajout d'une deuxième ligne de lumière à BELLA, dit Leemans. Une deuxième ligne de lumière pourrait permettre des collisions exotiques entre un faisceau lumineux et un faisceau d'électrons, ou entre deux faisceaux lumineux.

Faisceaux d'éléments lumineux produits au laser, et des faisceaux d'électrons de faible énergie produits par laser, pourrait également être poursuivi chez BELLA pour développer la base biomédicale de nouveaux types de traitements médicaux qui ciblent mieux les cancers, par exemple. "Nous sommes impatients d'améliorer nos propres capacités laser à Berkeley Lab tout en travaillant avec nos partenaires pour renforcer les efforts de R&D laser du pays, " dit James Symons, directeur adjoint du laboratoire de sciences physiques. "Des lasers de puissance moyenne plus élevée seront essentiels pour toutes les applications pratiques des accélérateurs à plasma laser."