Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont conçu un laser multi-pétawatt compact qui utilise des réseaux de transmission à plasma pour surmonter les limitations de puissance des réseaux optiques à semi-conducteurs conventionnels. La conception pourrait permettre la construction d'un laser ultrarapide jusqu'à 1 000 fois plus puissant que les lasers existants de même taille.

Les lasers pétawatts (quadrillions de watts) reposent sur des réseaux de diffraction pour l'amplification d'impulsions chirpées (CPA), une technique d'étirement, d'amplification puis de compression d'une impulsion laser à haute énergie pour éviter d'endommager les composants optiques. Le CPA, qui a remporté le prix Nobel de physique en 2018, est au cœur de la capacité radiographique avancée du National Ignition Facility ainsi que du prédécesseur du NIF, le Nova Laser, le premier laser pétawatt au monde.

Avec un seuil de dommages supérieur de plusieurs ordres de grandeur aux réseaux de réflexion conventionnels, les réseaux de plasma "nous permettent de fournir beaucoup plus de puissance pour un réseau de même taille", a déclaré l'ancien post-doctorant du LLNL Matthew Edwards, co-auteur d'un Physical Review Applied article décrivant le nouveau design publié en ligne le 9 août. Edwards a été rejoint sur l'article par le chef du groupe Interactions laser-plasma, Pierre Michel.

"Les optiques de focalisation en verre pour les lasers puissants doivent être grandes pour éviter les dommages", a déclaré Edwards. "L'énergie du laser est répartie pour maintenir une faible intensité locale. Parce que le plasma résiste mieux aux dommages optiques qu'un morceau de verre, par exemple, nous pouvons imaginer construire un laser qui produit des centaines ou des milliers de fois plus de puissance qu'un système actuel sans rendant ce système plus grand."

LLNL, avec 50 ans d'expérience dans le développement de systèmes laser à haute énergie, est également un leader de longue date dans la conception et la fabrication des plus grands réseaux de diffraction au monde, tels que les réseaux en or utilisés pour produire des impulsions pétawatt de 500 joules sur le laser Nova. dans les années 1990. Cependant, des réseaux encore plus grands seraient nécessaires pour les lasers multi-pétawatts et exawatts (1 000 pétawatts) de nouvelle génération afin de surmonter les limites de fluence maximale (densité d'énergie) imposées par l'optique solide conventionnelle (voir "Holographic Plasma Lenses for Ultra-High -Lasers de puissance").

Edwards a noté que les optiques constituées de plasma, un mélange d'ions et d'électrons libres, sont "bien adaptées à un laser à taux de répétition relativement élevé et à puissance moyenne élevée". La nouvelle conception pourrait, par exemple, permettre de déployer un système laser de taille similaire au L3 HAPLS (High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System) sur ELI Beamlines en République tchèque, mais avec 100 fois la puissance de crête.

Conçu et construit par LLNL et livré à ELI Beamlines en 2017, HAPLS a été conçu pour produire 30 joules d'énergie dans une durée d'impulsion de 30 femtosecondes (quadrillionième de seconde), ce qui équivaut à un pétawatt, et ce à 10 Hertz ( 10 impulsions par seconde).

"Si vous imaginez essayer de construire HAPLS avec 100 fois la puissance de crête au même taux de répétition, c'est le genre de système où cela serait le plus approprié", a déclaré Edwards, maintenant professeur adjoint de génie mécanique à l'Université de Stanford.

"The grating can be remade at a very high repetition rate, so we think that 10 Hertz operation is possible with this type of design. However, it would not be suitable for a high-average-power continuous-wave laser."

While plasma optics have been used successfully in plasma mirrors, the researchers said, their use for pulse compression at high power has been limited by the difficulty of creating a sufficiently uniform large plasma and the complexity of nonlinear plasma wave dynamics.

"It has proven difficult to get plasmas to do what you want them to do," Edwards said. "It's difficult to make them sufficiently homogenous, to get the temperature and density variations to be small enough, and so on."

"We're aiming for a design where that kind of inhomogeneity is as small a problem as possible for the overall system—the design should be very tolerant to imperfections in the plasma that you use."

Based on simulations using the particle-in-cell (PIC) code EPOCH, the researchers said, "we expect that this approach is capable of providing a degree of stability not accessible with other plasma-based compression mechanisms, and may prove more feasible to build in practice." The new design "needs only gas as the initial medium, is robust to variations in plasma conditions, and minimizes the plasma volume to make sufficient uniformity practical."

"By using achievable plasma parameters and avoiding solid-density plasma and solid-state optics, this approach offers a feasible path toward the next generation of high-power laser." + Explorer plus loin

Researchers design holographic lenses based on plasma