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Pleins feux sur les lasers

Même s’ils existent depuis plus de soixante ans, les lasers sont loin d’avoir réalisé leur plein potentiel. Ils offrent en effet des perspectives fantastiques dans les domaines médical, industriel et énergétique. A condition d’améliorer encore leur efficacité énergétique, ce à quoi s’attellent les leaders du domaine comme Thales.

Il y a dix ans, Thales fournissait au laboratoire de Berkeley, en Californie, un accélérateur laser du nom de BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator), le premier capable de fournir une puissance de l’ordre du petawatt, soit l’équivalent d’1 million de milliards de watts. Cette énergie est produite en une impulsion d’une durée d’une trentaine de femtosecondes1.

Six ans plus tard, Gérard Mourou, actuel conseiller scientifique du président de l’École polytechnique avec laquelle Thales collabore depuis de nombreuses années sur les lasers de puissance, reçoit 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 d’après, en 2019, un laser ultra-puissant développé par Thales dans le cadre du programme européen ELI-NP (Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics) pour une nouvelle infrastructure de recherche à Bucarest, en Roumanie, livrait ses premières impulsions d’une puissance crête de 10 petawatts, un record mondial. Ce laser, le plus puissant au monde, va permettre à la communauté scientifique de mieux percer les mystères de la physique des matériaux.

« Ces étapes sont des jalons majeurs de l’histoire des lasers qui montrent le leadership des Européens, et, en particulier de Thales, dans cette technologie somme toute récente », souligne Christophe Simon-Boisson, responsable de la ligne de produits lasers scientifiques et industriels chez Thales. 
Et la lumière fut…
C’est le 16 mai 1960, dans les laboratoires de la société Hughes, à Malibu, en Californie, que l’ingénieur Theodore Harold Maiman obtint pour la première fois une émission laser, en utilisant un cristal de rubis pour concentrer la lumière et produire le fameux faisceau rouge associé depuis lors à cette technologie.
Bien que sa puissance soit faible comparée à celle des lasers de notre époque, ce premier faisceau laser avait une brillance d'un million de soleils et fournissait des impulsions de l'ordre de la milliseconde. Pour la première fois, une grande quantité de lumière se propageait de manière rectiligne et restait concentrée sur une faible section.

 

Aujourd’hui, les lasers sont omniprésents dans notre vie quotidienne : des dispositifs de marquage, découpe et soudage de métaux à la lithographie pour les semi-conducteurs et la lecture des codes-barres à la caisse de votre supermarché, en passant par internet et nos téléphones portables car les lasers contribuent à la qualité d’affichage de leurs écrans. 

Du traitement des cancers à l’espoir d’une énergie sûre et propre

« Mais nous sommes loin d’avoir entièrement exploité le potentiel de cette technologie, remarque Christophe Simon-Boisson, notamment dans le domaine des lasers à très forte puissance. L’un des principaux intérêts de ces derniers, c’est de pouvoir fabriquer des accélérateurs de particules beaucoup plus compacts (d’un facteur 1 000) que les accélérateurs traditionnels. »

Ainsi, dans le domaine médical, ils sont utilisés dans le traitement du cancer, pour créer soit des sources de protons (protonthérapie) soit des sources d’électrons. On attend également beaucoup de l’effet « FLASH », c’est-à-dire des émissions très brèves mais très intenses qui sont moins nocives pour le patient. Ces lasers peuvent également contribuer à l’imagerie par rayons X ainsi qu’à la production de traceurs isotopiques permettant de réaliser des scans.

Dans le champ industriel, les rayons X fabriqués grâce à des lasers sont utilisés soit pour détecter des défauts sur des pièces, en particulier des défauts de petite taille (submillimétriques) sur des pièces de grande épaisseur (jusqu’à plusieurs dizaines de cm), soit pour faire du « cargo scanning » et détecter des matière dangereuses ou illicites dans des conteneurs.

Mais l’une des applications les plus prometteuses se situe dans le domaine énergétique. « La fusion nucléaire constitue un grand espoir d’obtenir une énergie propre, sûre et, sans déchet.  Il est clair que dans les schémas énergétiques de demain, les lasers à impulsions courtes et à très forte puissance crête auront une place centrale », souligne Christophe Simon-Boisson. 

Déjà, en août 2021, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory ont annoncé avoir réalisé une avancée historique vers la fusion nucléaire. Ils ont en effet réussi à générer un plasma dégageant plus de 1,3 mégajoule  en un dixième de nanoseconde grâce à un laser surpuissant, le National Ignition Facility (NIF). Plusieurs sociétés privées se sont créées récemment avec l’ambition de produire durant la prochaine décennie de l’énergie de fusion inertielle selon des schémas mettant en œuvre des lasers de puissance.

« Il existe bien d’autres applications de ces lasers de puissance comme le traitement des déchets radioactifs et l’élimination des déchets spatiaux, s’enthousiasme Christophe Simon-Boisson. Ces technologies ont un énorme potentiel. Mais pour pouvoir le réaliser pleinement, il faut que nous améliorions significativement l’efficacité énergétique de ces lasers intenses. C’est ce à quoi nous travaillons, par exemple dans le cadre du démonstrateur XCAN initié par le prix Nobel de physique Gérard Mourou à l’École polytechnique en partenariat avec Thales. » 

Ce sera également un des principaux sujets d’Heracles3, le laboratoire commun que Thales vient de créer avec l’Institut polytechnique de Paris, le CNRS, et l’ENSTA .   « Avec Heracles3, conclut Christophe Simon-Boisson, Thales va « mettre le turbo » pour faire le plus rapidement possible de ces nouvelles et passionnantes applications sociétales une réalité. »

© Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory

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

2 L’Institut Polytechnique de Paris, le CNRS et Thales créent le laboratoire commun HERACLES3 sur les lasers intenses | Thales Group