Les lasers ultra-intenses.
Gerard Mourou, Donald Umstader,
PS n°298, Août 2002, p.82-88.
Mots Clés: lasers, impulsions, faisceaux, physique des particules, fusion thermonucléaire, accélération, optique relativiste, collisionneurs gamma gamma, radiographie.
Notes: Un article sur l'utilisation du laser ultra intense pour la chirurgie de la cornée qui est très interressant. Les procédés sont bien décrits, avec des schémas.
Contenu: Le miroir parabolique a été le premier instrument optique capable de concentrer des rayons lumineux, vers -200. Aujourd'hui, la mécanique quantique nous permet d'obtenir une lumière laser de très grande intensité, notemment avec les lasers Nova et Mégajoule, le premier comportait une dizaine de chaines parallèles d'amplificateurs et aussi grand qu'un terrain de football. Il reproduisait les conditions qu'il y avait au sein du Soleil. Les nouveaux lasers atteignent la même puissance mais libèrent moins d'énergie pour le faire. Leurs impulsions sont plus courte mais ils atteignent une puissance de 10 terrawatts, puissance supérieure à celle de toutes les centrales éléctriques terrestres. On pobtient ainsi de très fortes intensités lumineuses. On peut ainsi recréer des conditions proches de celles d'un coeur stellaire ou d'un trou noir. De plus ces lasers trouvent de nombreuses applications en physique et en médecine.
Le principe du laser a été posé en 1960. Les lasers atteignirent par la suite 1 gigawatt, mais au delà des phénomènes dégradant la qualité du faisceau et les composants apparaissaient. En 1985 ce problème a été résolu grace à la méthode d'amplification d'impulsions. Le principe est d'étirer les impulsions dans le temps pour les amplifier sans détruire les composants puis les compresser pour qu'elles redeviennent courte. En théorie la méthode paraît simple, mais elle est difficile à mettre en oeuvre. Les composants doivent être complémentaires et la focalisation spatiale du faisceau doit être parfaite. Aujourd'hui on arrive à créer des impulsion optimales, qui ont la plus grande intensité possible pour une énergie donnée.On peut ainsi aborder l'optique relativiste. Les propriétés optiques d'un matériau sont dues aux interractions entre ses électrons et les photons de lumière. Le champ électrique d'une onde fait osciller un électron parallèlement au champ électrique et à la même fréquence que l'onde lumineuse. On peut ainsi déterminer comment l'onde lumineuse se propage dans le matériau. La lumière réagit avec la matière nucléaire, avec ces découvertes sur la lumière, l'ensemble des phénomènes nucléaires qui peuvent se produire constituent alors le domaine de l'optique nucléaire.L'accéleration de particules est aussi une application de l'optique nucléaire. Elle a de nombreuses applications par exemple dans les télévisions ou la radiothérapie. Dans ces ionstallations, les électrons, positons ou les protons sont accélérés par des champs électriques ou magnétiques. En optique relativiste quand une impulsion illumine un plasma elle propulse les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière. Les ions du plasma restent en arrière, cette séparation des charges positives et négatives engendre un intense champ électrique qui peut accélérer les particules.Une autre application sont les collisionneurs gamma gamma, pour la physique des particules. Quand un faisceau laser à grande puissance rencontre un faisceau d'électrons, un faisceau de rayons gamma est produit. Avec le mécanisme Compton, les photons du laser rebondissent sur les électrons. L'énergie du rayonnement gamma produit est alors proche de celle du faisceau d'électrons. Les lasers ultra intenses permettraient aussi de trouver des aplications dans la fusion nucléaire. Néanmoins on n'a pas encore réussi à construire de réacteur produisant plus d'énergiequ'il n'en consomme. Ils ont également un rôle dans la médecine, pour la lutte contre le canceren particulier.Les rayons X, utilisés pour la radiographie, sont produits en accélérant les électrons qui libèrent des rayons X quand ils heurtent une anode. La plus petite tumeur détectable est de un millimètre de diamètre.Il reste encore à améliorer la résolution à l'aide des lasers ultra-intenses, on espère atteindre une précision de l'ordre du micromètre afin de détruire les cellules cancéreuses à un stade peu avancé. Pour l'instant, les lasers ne sont pas assez énergétiques et offrent une trop grande dispertion. En ôtant ces deux embuches la radiothérapie pourrait, grace aux lasers ultra-intenses, progresser.
Compléments:
Laser à impulsion ultra-courte, dans le PS n°277 de Novembre 2000.
