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Construire le laser le plus puissant au monde
En mars , des chercheurs du Installation nationale d'allumage a démontré un laser de 1,1 mégajoule conçu pour déclencher des réactions de fusion nucléaire d'ici 2010. Mais la technologie de l'installation, qui est hébergée au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie, ne peut pas encore générer suffisamment d'énergie pour faire fonctionner une centrale électrique pratique. Ainsi, alors même que les physiciens attendent avec impatience la démonstration de l'année prochaine, ils travaillent sur des lasers encore plus puissants qui pourraient rendre possible une méthode pour une sorte de fusion induite par laser appelée allumage rapide.
Mise sous tension : Ce laser peut fournir une impulsion lumineuse de 200 joules d'une durée de 100 femtosecondes seulement. Les câbles à gauche pompent l'alimentation vers les lampes flash vertes qui pompent le laser.
Cette semaine, au réunion annuelle du Société d'optique d'Amérique à San Jose, en Californie, des chercheurs de l'Université du Texas ont présenté des plans pour construire un laser exawatt qui serait trois ordres de grandeur plus puissant que tout ce qui existe aujourd'hui. Les lasers les plus puissants d'aujourd'hui fonctionnent de l'ordre d'environ un pétawatt, soit 10 à la puissance 15 (un quadrillion) de watts. Un exawatt vaut 10 pour une puissance de 18 watts. Les lasers Exawatt pourront concentrer cette puissance dans des zones mesurant des micromètres, créant des intensités énormes.
Une façon d'augmenter la puissance d'un laser est de diminuer la durée de l'impulsion laser. Mais travailler avec des impulsions laser de l'ordre de la picoseconde voire des femtosecondes est difficile car de telles impulsions sont constituées d'une large bande passante de fréquences lumineuses qui endommagent le verre optique, notamment le verre phosphate souvent utilisé pour amplifier la lumière laser, par exemple au National Ignition Facilité.
Todd Ditmire , directeur du High Intensity Laser Science Group de l'Université du Texas à Austin, a indiqué lors de la réunion de cette semaine qu'un nouveau type de verre devrait être capable de gérer les impulsions lumineuses intenses nécessaires pour créer un laser exawatt. Le verre serait dopé et utilisé pour créer des dispositifs appelés amplificateurs - lorsque la lumière d'un laser éclaire l'amplificateur en verre, les ions dans le verre absorbent la lumière et la réémettent à une énergie plus élevée. Le verre n'est qu'un hôte - c'est un matériau transparent qui retient les ions, explique Ditmire.
L'avantage de coller avec du verre au lieu d'un autre matériau est que les fabricants peuvent facilement en faire de gros appareils, ce qui augmente la puissance du faisceau résultant. En revanche, le saphir de titane peut servir d'amplificateur pour les lasers à haute puissance, mais il est difficile à fabriquer en gros morceaux, explique Ditmire. Travailler avec le fabricant allemand Schott , le groupe texan a commencé à caractériser les propriétés de son nouveau type de verre, qui associe le silicate, le matériau qui compose les objets en verre du quotidien, à l'élément métallique tantale. Ditmire dit que son groupe travaille maintenant avec Schott pour créer de plus gros morceaux de matériau qui seront assemblés pour fabriquer un prototype de laser.
Ditmire s'attend à ce que la première application des lasers exawatt soit comme source d'énergie pour les accélérateurs de particules médicales. Le bombardement des tumeurs avec des protons provoque moins d'effets secondaires que la thérapie aux rayons X, car les protons libèrent leur énergie d'un seul coup, épargnant les tissus environnants. Cependant, la protonthérapie n'a pas été largement utilisée car elle nécessite de gros accélérateurs de particules. Les lasers exawatt compacts devraient être suffisamment puissants pour accélérer les protons pour la thérapie médicale.
Mais l'application potentielle la plus intéressante pour les lasers exawatt se trouve dans les centrales à fusion qui reposent sur un processus appelé allumage rapide. Au début, la National Ignition Facility utilisera des lasers pétawatt pour comprimer une pastille de combustible aurifère jusqu'à ce qu'elle chauffe jusqu'à 100 millions de °C, déclenchant la fusion. Également lors de la conférence de cette semaine, des chercheurs de l'installation ont signalé qu'ils avaient franchi une autre étape sur la voie des réactions de fusion contrôlées, décrivant les tests préliminaires de leur système utilisant une impulsion de 500 000 joules pour faire imploser une pastille de combustible de fusion.
L'allumage rapide fonctionne différemment. Au lieu d'une seule impulsion, la technique utiliserait des lasers de faible puissance pour comprimer le carburant sans se soucier de le chauffer, puis un laser à impulsions courtes [exawatt] qui agit comme une bougie d'allumage, déclenchant la réaction de fusion, explique Ditmire.
La question de savoir si cela fonctionnera est controversée, admet Ditmire. Viser une impulsion aussi courte peut être problématique. En théorie, cependant, le processus d'allumage rapide devrait prendre moins d'énergie pour fonctionner. La mesure la plus importante de la performance d'un réacteur à fusion est son gain, ou le rapport de l'énergie nécessaire pour faire fonctionner les lasers à la quantité d'énergie produite par la réaction. L'objectif de l'installation de Livermore est un gain de 15 à 20. Vous avez besoin d'un gain de 100 pour faire une centrale à fusion, et les calculs montrent que les lasers exawatt pourraient l'obtenir, explique Ditmire.
Mais le nouveau matériau en verre n'est pas la seule clé pour construire un laser exawatt. Le groupe de Ditmire a également eu du succès avec de nouvelles techniques d'amplification pour produire des impulsions de très courte durée en utilisant les technologies de l'université. Laser pétawatt du Texas . Selon Ditmire, l'astuce pour produire une très haute puissance est une technique appelée gazouillis, dans laquelle différentes fréquences de lumière sont séparées, passent à travers des amplificateurs en verre, puis passent à travers un compresseur pour les rassembler en une seule impulsion de puissance plus élevée. . La méthode du groupe Texas combine différents types d'amplificateurs en verre pour ce processus, permettant une plus grande compression de la lumière et donc une augmentation supplémentaire de la puissance de sortie. Lors de la réunion, Ditmire a rapporté avoir utilisé cette technique pour créer des impulsions de 100 femtosecondes.
Ditmire n'est pas le seul chercheur à pousser au développement des lasers exawatt. L'inventeur du gazouillis, Gérard Mourou de l'Ecole Polytechnique en France, est le fer de lance d'un projet européen de laser exawatt appelé OU , ou Infrastructure de lumière extrême. Le groupe européen envisage d'utiliser des amplificateurs en titane saphir à la place du verre classique.