Pleins feux sur les lasers : "les technologies ont un potentiel énorme"

Quand la technologie laser a-t-elle été inventée ?

Le principe de ce que l'on appelle « l'émission stimulée » a été décrit dès 1917 par Albert Einstein. Mais ce n'est qu'en 1960 que l'ingénieur physicien américain Theodore Harold Maiman, des Hughes Research Laboratories, en Californie, a réussi à tirer le tout premier laser en utilisant un cristal de rubis pour concentrer la lumière, produisant ainsi le faisceau rouge caractéristique qui est associé à cette technologie depuis lors.  

Bien qu'il soit loin d'être aussi puissant que les lasers actuels, ce premier faisceau laser brillait comme un million de soleils, délivrant des impulsions d'une durée d'environ une milliseconde. C'était la toute première fois qu'une telle quantité de lumière était propagée en ligne droite et focalisée sur un seul point. 

Il s'agit donc d'une technologie assez récente. Une technologie dans laquelle Thales est pionnier et leader.

Pouvez-vous nous donner quelques exemples qui ont permis à Thales de se positionner comme leader?

Bien sûr. Je peux notamment vous en citer trois. En 2012, Thales a fourni au Laboratoire de Berkeley en Californie un accélérateur laser appelé BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator). BELLA a été le premier laser à délivrer une puissance d'un pétawatt - l'équivalent d'un million de milliards de watts - en concentrant toute son énergie dans une impulsion d'une trentaine de femtosecondes¹. 

• En 2018, Gérard Mourou, membre du Haut Collège de l'École polytechnique, partenaire de recherche historique de Thales dans le domaine des lasers de puissance, a reçu le prix Nobel de physique pour avoir co-inventé, avec Donna Strickland, une technique d'amplification par dérive de fréquence utilisée pour créer des lasers à impulsions ultracourtes de très haute puissance (de l'ordre du térawatt).
• L'année suivante, en 2019, un laser ultra-puissant développé par Thales pour le projet de recherche européen Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics (ELI-NP) à Bucarest, en Roumanie, a généré ses premières impulsions à un niveau de puissance de crête de 10 pétawatts - un record mondial. C’est actuellement le laser le plus puissant au monde et il aidera la communauté scientifique à mieux comprendre la physique des matériaux. 

Ces étapes clés dans l'histoire des lasers montrent comment l'Europe, et Thales en particulier, ouvre la voie à une technologie qui n'existe pas depuis très longtemps.

En dehors des applications scientifiques, avez-vous des exemples d'utilisation de la technologie laser dans la vie quotidienne ?

Oui, ils sont utilisés pour marquer, couper et souder des métaux, fabriquer des semi-conducteurs par lithographie laser, scanner des codes-barres au supermarché et même améliorer la qualité d'affichage de nos téléphones portables. 

Dans le domaine médical, ils sont employés dans le traitement du cancer, pour créer soit des sources de protons soit des sources d’électrons. On attend beaucoup de l’effet « Flash », c’est-à-dire des émissions très brèves mais très intenses, moins nocives pour le patient.  

Ces lasers servent également dans l’imagerie par rayons X ainsi qu’à la production de traceurs isotopiques permettant de réaliser des scans. 

Dans l'industrie, les rayons X basés sur le laser sont utilisés pour détecter les défauts dans les composants, en particulier les petits défauts (inférieurs au millimètre) dans des pièces de plusieurs dizaines de centimètres d'épaisseur, ainsi que dans les applications de scannage des cargaisons pour identifier les substances dangereuses ou illégales à l'intérieur des conteneurs.  

Mais nous sommes encore loin d'utiliser tout le potentiel de la technologie laser. 

C'est particulièrement vrai pour les lasers de très haute puissance, qui peuvent être utilisés pour construire des accélérateurs de particules jusqu'à mille fois plus petits que les accélérateurs conventionnels.

L'une des applications les plus prometteuses de ces lasers de haute puissance semble être le secteur de l'énergie

La fusion nucléaire permet en effet d'espérer obtenir une énergie propre, sûre et sans déchets, et il est désormais évident que les lasers à impulsion courte et à très haute puissance joueront un rôle clé dans les plans énergétiques futurs.  

En août 2021, des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory ont annoncé un exploit historique dans la course au développement de la fusion nucléaire : en utilisant le système laser à ultra-haute puissance de la National Ignition Facility, ils ont créé un plasma qui a produit plus de 1,3 mégajoule d'énergie en un dixième de nanoseconde. Le 5 décembre 2022, après de nouvelles améliorations techniques, le NIF a atteint pour la première fois l'« allumage », ou le seuil de rentabilité scientifique, avec un rendement énergétique de 154 % par rapport à l'énergie d'entrée. 

Depuis, plusieurs entreprises privées ont été créées dans le but de produire de l'énergie de fusion inertielle au cours de la prochaine décennie à l'aide de systèmes pilotés par des lasers de puissance.

Ces types de lasers de puissance ont de nombreuses autres applications, telles que le traitement des déchets radioactifs et le nettoyage des débris spatiaux. Ces technologies ont un potentiel énorme, mais pour le réaliser pleinement, nous devons améliorer considérablement l'efficacité énergétique des lasers à haute intensité eux-mêmes. C'est ce que nous faisons actuellement, par exemple avec le projet de démonstrateur XCAN conçu par le prix Nobel Gérard Mourou à l'École polytechnique en partenariat avec Thales. 

La mise au point de lasers intenses plus efficaces est également l'un des principaux domaines d'intérêt d'HERACLES, un partenariat de recherche conjoint entre Thales, le Centre national français de la recherche scientifique (CNRS) et l'Institut polytechnique de Paris (IP Paris).  

Avec HERACLES, Thales va « mettre le turbo » pour faire, le plus rapidement possible, de ces nouvelles et passionnantes applications sociétales une réalité. 

1. Un femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde