Optimiser le dépôt d’énergie laser sur les cibles d’expériences

Optimiser le dépôt d’énergie du laser sur sa cible sans détériorer les installations : tel est le défi lancé aux physiciens travaillant sur le Laser Mégajoule. Une équipe rassemblant des chercheurs du CEA - DAM et du Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (Luli) à l’École polytechnique a montré [1] qu’il est possible de mieux répartir le dépôt d’énergie du laser grâce à l’adaptation d’une technique dite de « lissage par double polarisation ». Pourra-t-elle s’appliquer au Laser Mégajoule ?

Les installations laser de haute énergie comme le Laser Mégajoule, près de Bordeaux, visent à porter la matière à des températures de cent millions de degrés et des pressions d’un milliard de fois la pression atmosphérique ! Elles permettent d’étudier les phénomènes se produisant au sein des armes nucléaires, des étoiles ou d’éventuelles centrales à fusion nucléaire par laser. Pour cela, de nombreux faisceaux laser sont focalisés sur une cible de quelques millimètres. Ils ionisent la cible, créant un plasma, puis continuent d’y déposer de l’énergie, créant des conditions de pression et de température extrêmes.

Cependant, ces zones où le laser dépose son énergie dans le plasma sont aussi le lieu d’instabilités. Dans le plasma, il existe des zones plus ou moins denses en ions et en électrons, qui oscillent, formant ainsi des ondes. Lorsque ces ondes ioniques et électroniques interagissent avec le laser, les instabilités se développent, avec des inconvénients majeurs : on maîtrise moins bien le dépôt d’énergie sur la cible, et de la lumière peut même être réémise vers le laser et endommager les installations. Pour éviter ces inconvénients, des techniques de modification des propriétés des faisceaux laser ont été développées. L’une de ces techniques s’appelle le lissage par double polarisation.

Rappelons tout d’abord qu’un faisceau laser est une onde électromagnétique composée d’un champ électrique qui oscille dans le plan transverse à son axe de propagation. Pour certains de ces faisceaux, la direction d’oscillation est fixe : rectiligne verticale (figure 1a) ou rectiligne horizontale (figure 1b) ; pour d’autres, le champ tourne dans le plan transverse au cours du temps : circulaire droite (figure 1c) ou circulaire gauche (figure 1d). La nature de l’oscillation caractérise ce qui est appelé l’état de polarisation du faisceau laser.

Le lissage par double polarisation [2] consiste à répartir l’énergie d’un faisceau laser selon deux états de polarisation, orthogonaux l’un par rapport à l’autre : figure 1a et figure 1b ou bien figure 1c et figure 1d par exemple. De cette manière, les dépôts d’énergie sur la cible n’interfèrent pas et les instabilités néfastes sont minimisées.

Sur le Laser Mégajoule, les faisceaux sont regroupés par quatre, constituant des quadruplets. Le lissage par double polarisation n’est pas mis en œuvre, de sorte que chaque faisceau d’un quadruplet possède un seul et même état de polarisation : rectiligne vertical (figure 1e). Pour envisager une modification de l’état de polarisation, des limites physiques et technologiques imposent d’utiliser un composant comportant des reliefs minuscules, de l’ordre du nanomètre – un composant « nano­structuré ». Ce composant conduit à changer l’état de polarisation rectiligne en une polarisation circulaire. Deux configurations de réalisation du lissage par double polarisation, envisageables sur le Laser Mégajoule, sont représentées sur les figures 1f et 1g. La question qui se pose est alors la suivante : l’interaction entre un faisceau laser et un plasma est-elle identique lorsque le faisceau laser présente une polarisation circulaire (figure 1c,d) ou lorsqu’il présente une polarisation rectiligne (figure 1a,b) ?

Une équipe de chercheurs du CEA - DAM et du Luli a mené une campagne d’expériences [1] et réalisé des simulations pour montrer que tel est effectivement le cas. Les résultats obtenus grâce à cette campagne d’expériences (figure 2) et ces simulations offrent une solution envisageable pour déployer le lissage par double polarisation sur le Laser Mégajoule. Au-delà, c’est un guide pour la conception du lissage d’une future installation laser de puissance. Cela conforte également l’intérêt des composants nano­structurés, comme ceux décrits dans la référence [3]. Ils offrent en plus l’opportunité de limiter l’endommagement dans le volume des composants optiques qui font l’étanchéité de la chambre d’expérience, sans affecter l’interaction laser-plasma.

Des travaux sont nécessaires pour démontrer que ces composants peuvent être fabriqués en grande dimension à un coût raisonnable et pour étudier de façon plus précise leur impact sur le système laser du Laser Mégajoule.