Les chercheurs ont démontré une intensité d'impulsion laser record de plus de 10 ²³ W/cm ² utilisant le laser pétawatt du Center for Relativistic Laser Science (CoReLS), Institut des sciences fondamentales de la République de Corée. Il a fallu plus d'une décennie pour atteindre cette intensité laser, ce qui est dix fois celui rapporté par une équipe de l'Université du Michigan en 2004. Ces impulsions lumineuses à ultra haute intensité permettront d'explorer des interactions complexes entre la lumière et la matière d'une manière qui n'était pas possible auparavant.

Le laser puissant peut être utilisé pour examiner les phénomènes soupçonnés d'être responsables des rayons cosmiques de haute puissance, qui ont des énergies de plus d'un quadrillion (10 ¹⁵ ) électronvolts (eV). Bien que les scientifiques sachent que ces rayons proviennent de quelque part en dehors de notre système solaire, comment ils sont fabriqués et ce qui les forme est un mystère de longue date.

"Ce laser de haute intensité va nous permettre d'examiner des phénomènes astrophysiques tels que la diffusion électron-photon et photon-photon en laboratoire, " a déclaré Chang Hee Nam, directeur de CoReLS et professeur au Gwangju Institute of Science &Technology. "Nous pouvons l'utiliser pour tester expérimentalement et accéder à des idées théoriques, dont certains ont été proposés pour la première fois il y a près d'un siècle."

Dans Optique , les chercheurs rapportent les résultats d'années de travail pour augmenter l'intensité des impulsions laser du laser CoReLS. L'étude des interactions laser-matière nécessite un faisceau laser étroitement focalisé et les chercheurs ont pu focaliser les impulsions laser à une taille de spot d'un peu plus d'un micron, moins d'un cinquantième du diamètre d'un cheveu humain. La nouvelle intensité laser record est comparable à la focalisation de toute la lumière atteignant la terre du soleil à un point de 10 microns.

"Ce laser à haute intensité nous permettra de nous attaquer à une science nouvelle et stimulante, électrodynamique quantique à champ particulièrement fort, qui a été principalement traité par les théoriciens, " a déclaré Nam. " En plus de nous aider à mieux comprendre les phénomènes astrophysiques, il pourrait également fournir les informations nécessaires pour développer de nouvelles sources pour un type de radiothérapie qui utilise des protons de haute énergie pour traiter le cancer. »

Rendre les impulsions plus intenses

La nouvelle réalisation prolonge les travaux antérieurs dans lesquels les chercheurs ont démontré un système laser femtoseconde, à base de Ti:Saphir, qui produit des impulsions de 4 pétawatts (PW) d'une durée inférieure à 20 femtosecondes tout en étant focalisé sur un point de 1 micromètre. Ce laser, qui a été signalé en 2017, produit une puissance d'environ 1, 000 fois plus grande que toute la puissance électrique sur Terre dans une impulsion laser qui ne dure que vingt quadrillions de seconde.

Pour produire des impulsions laser de haute intensité sur la cible, les impulsions optiques générées doivent être focalisées de manière extrêmement serrée. Dans ce nouveau travail, les chercheurs appliquent un système d'optique adaptative pour compenser avec précision les distorsions optiques. Ce système fait appel à des miroirs déformables - qui ont une forme de surface réfléchissante contrôlable - pour corriger avec précision les distorsions du laser et générer un faisceau avec un front d'onde très bien contrôlé. Ils ont ensuite utilisé un grand miroir parabolique hors axe pour obtenir une mise au point extrêmement précise. Ce procédé nécessite une manipulation délicate du système optique de focalisation.

"Nos années d'expérience acquises lors du développement de lasers à très haute puissance nous ont permis d'accomplir la formidable tâche de focaliser le laser PW avec une taille de faisceau de 28 cm à un point micrométrique pour accomplir une intensité laser dépassant 10 ²³ W/cm ² , " dit Nam.

Étudier les procédés à haute énergie

Les chercheurs utilisent ces impulsions de haute intensité pour produire des électrons d'une énergie supérieure à 1 GeV (10 ⁹ eV) et de travailler dans le régime non linéaire dans lequel un électron entre en collision avec plusieurs centaines de photons laser à la fois. Ce processus est un type d'électrodynamique quantique à champ fort appelé diffusion Compton non linéaire, qui contribuerait à la génération de rayons cosmiques extrêmement énergétiques.

Ils utiliseront également la pression de rayonnement créée par le laser à ultra haute intensité pour accélérer les protons. Comprendre comment ce processus se produit pourrait aider à développer une nouvelle source de protons à base de laser pour les traitements contre le cancer. Les sources utilisées dans les traitements de radiothérapie d'aujourd'hui sont générées à l'aide d'un accélérateur qui nécessite un énorme bouclier contre les rayonnements. Une source de protons commandée par laser devrait réduire le coût du système, rendant la machine de protononcologie moins coûteuse et donc plus largement accessible aux patients.

Les chercheurs continuent de développer de nouvelles idées pour améliorer encore plus l'intensité du laser sans augmenter de manière significative la taille du système laser. Une façon d'y parvenir serait de trouver une nouvelle façon de réduire la durée de l'impulsion laser. Alors que des lasers avec des puissances crêtes allant de 1 à 10 PW sont désormais en fonctionnement et que plusieurs installations atteignant 100 PW sont en projet, il ne fait aucun doute que la physique des hautes intensités progressera énormément dans un avenir proche.