PETAL, UN LASER PÉTAWATT DE HAUTE ÉNERGIE : PERFORMANCES EXPÉRIMENTALES ET MODÉLISATION Chocs Avancées 2018 / N. Blanchot, H. Coïc, M. Sozet, G. Béhar, S. Chardavoine, C. Damiens-Dupont, L. Hilsz, L. Lamaignère, F. Laniesse, E. Lavastre, J. Néauport, S. Noailles, C. Rouyer (CEA – Cesta)

PETAL est un laser dédié aux expériences laserplasma menées au centre de la chambre expérimentale du Laser Mégajoule (LMJ) pour la communauté académique. Il a déjà produit une impulsion de plus de 1 pétawatt (PW), soit 1015 W, en 700 femtosecondes (fs), soit 0,7 × 10^-12 s. La caractérisation du faisceau à un tel niveau de puissance a nécessité le développement de diagnostics spécifiques, mais aussi le recours à des codes de simulation. L’énergie produite est aujourd’hui limitée par la résistance au flux laser des miroirs de fin de chaîne. Une démarche expérimentale et de modélisation de ce processus a été engagée. Elle constitue le fondement d’une nouvelle solution technologique qui doit repousser cette limite de performance.

Modélisation du transfert d’énergie entre faisceaux laser pour la fusion Chocs Avancées 2016 / A. DEBAYLE, S. DEPIERREUX, D. J. Y. MARION, C. NEUVILLE, P.-E. MASSON-LABORDE, P. LOISEAU, M. CASANOVA (CEA – DAM Île-de-France), C. BACCOU, K. GLIZE, C. LABAUNE (Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (LULI), UMR 7605 CNRS – CEA – École polytechnique – Université Pierre-et-Marie-Curie, Palaiseau), S. HÜLLER (Centre de physique théorique, UMR 7644 CNRS – École polytechnique, Palaiseau)

Les expériences de fusion nucléaire par confinement inertiel mettent en oeuvre un grand nombre de faisceaux laser se croisant dans un plasma. Les échanges d’énergie laser susceptibles de s’y produire ont récemment été pris en compte au moyen d’un modèle simplifié. Validé par des simulations particulaires de référence, ce modèle a permis avec succès l’interprétation d’une expérience de croisement de faisceaux réalisée au Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (LULI).

Premiers imageurs X pour le Laser Mégajoule Chocs Avancées 2016 / R. ROSCH, C. TROSSEILLE, T. CAILLAUD, J.-L. BOURGADE, J.-P. LE BRETON, R. WROBEL (CEA – DAM Île-de-France), P. BEAUVAIS, S. HUBERT, M. PALLET, V. PRÉVOT (CEA – Cesta)

Les premiers diagnostics mis en oeuvre sur le Laser Mégajoule (LMJ) sont deux imageurs X, l’imageur GXI-1 installé en 2014 et l’imageur GXI-2 livré en mai 2015 [1]. Ces imageurs X permettent de visualiser, dans l’espace et dans le temps, le plasma formé par l’interaction laser-cible et de réaliser des radiographies de la cible. Ils ont la capacité de résoudre des détails de l’ordre de 30 μm à l’intérieur d’un champ d’observation de quelques millimètres et de pouvoir prendre plusieurs photographies de l’évolution de la cible dans le domaine des rayons X avec des temps de pose d’environ 100 ps. Ces instruments prennent en compte, par conception, les contraintes imposées par l’environnement du LMJ – rayonnements parasites, éclats émis par la cible, maintenance en ambiance nucléaire – et s’intègrent dans le système complexe de pilotage du LMJ. Ils ont été qualifiés au cours de deux campagnes dédiées et sont utilisés en routine dans les campagnes d’expériences du LMJ.

Impact des modulations temporelles d’un faisceau laser sur l’endommagement des optiques Chocs Avancées 2015 / P. GRUA, J.-L. RULLIER, M. CHAMBONNEAU, R. DIAZ, R. COURCHINOUX, L. LAMAIGNÈRE (CEA Cesta), J.-Y. NATOLI (Institut Fresnel, Unité mixte de recherche 7249 CNRS – Aix-Marseille université – Centrale Marseille)

L’endommagement des optiques en silice lors du passage du faisceau laser doit être maîtrisé, car il constitue un poste de dépenses très important pour la maintenance des lasers de puissance tels que le Laser Mégajoule. Afin de mieux comprendre l’influence de la forme temporelle des impulsions laser sur l’endommagement en régime nanoseconde, des expériences utilisant des impulsions multimodes longitudinaux [1], très fortement modulées dans les domaines infrarouge (1 064 nm) et ultraviolet (355 nm), ont été réalisées. Elles ont permis de mettre en évidence des processus physiques impliqués dans l’endommagement laser jusqu’à présent non considérés, ce qui conduit in fine à une maîtrise accrue de l’endommagement laser.

Influence de la pureté spectrale sur l’étalonnage des analyseurs optiques X du LMJ Chocs Avancées 2014 / S. HUBERT, V. PRÉVOT (CEA Cesta)

Le laser MégaJoule (LMJ) est un outil de physique fondamentale mis en oeuvre pour l’étude de l’interaction laser-matière. Cette interaction génère du rayonnement X, enregistré par des caméras étalonnées. Un monochromateur X a révélé l’importance que revêt une émission strictement monochromatique dans l’étalonnage de ces caméras.

Mise en forme spatiale entièrement fibrée Chocs Avancées 2013 / E. HUGONNOT, P. CALVET (CEA Cesta), C. VALENTIN, G. BOUWMANS, Y. QUIQUEMPOIS, L. BIGOT, A. MUSSOT, M. DOUAY (Laboratoire de physique des lasers, atomes et molécules, UMR 8523 − Institut de recherche sur les composants logiciels et matériels pour l’information et la communication avancée, USR CNRS 3380, Villeneuve d’Ascq)

Certaines applications laser telles que le micro-usinage (ablation, lithographie, gravure...) ou l’injection de chaînes de puissance comme le Laser Mégajoule (LMJ), réclament un faisceau laser de profil spatial uniforme. Un tel profil est généralement obtenu en utilisant des optiques de mise en forme spatiale relativement onéreuses, complexes à aligner et peu compactes. Dans l’objectif de l’amélioration de la fiabilité des systèmes actuels, une solution élégante et efficace consiste à effectuer la mise en forme spatiale non plus en espace libre, mais à l’intérieur d’une fibre optique. Nous avons donc récemment réalisé une fibre microstructurée dont le mode fondamental est de forme spatiale aplatie. Ce travail représente un grand pas en avant vers la réalisation de systèmes modulaires de forte énergie entièrement fibrés.

Évaluation de la conductivité thermique de la silice à haute température Chocs Avancées 2012 / P. CoMbis (CEA-DAM Île-de-France), P. CorMonT, d. héberT, L. robin, J.-L. ruLLier (cea – cesta), L. GaLLais (Institut fresnel, umr 6133 cnrs - université aix-marseille - École centrale marseille)

Les grandes optiques en silice des lasers de puissance présentent inévitablement quelques défauts de surface dès leur fabrication et après utilisation. Irradier la silice avec un laser CO2 à la longueur d’onde de 10,6 μm, pour laquelle la silice est fortement absorbante, permet un recuit capable de réparer ces dommages. Nous avons ainsi développé un code permettant de modéliser la transformation d’une surface en silice illuminée par un laser CO2. Les paramètres physiques de la silice sont connus entre 300 K et 2000 K, excepté la conductivité thermique. Pour l’évaluer, la température surfacique d’un échantillon de silice a été mesurée par thermographie infrarouge et comparée à des simulations qui permettent, par approches successives, de déterminer une valeur correcte de cette conductivité.

Les processus d’auto-focalisation et de rétrodiffusion Brillouin sont responsables de dommages dans les optiques des lasers de puissance comme le Laser Mégajoule (LMJ). La compréhension et la maîtrise de ces processus nécessitent des codes numériques 3D dont les calculs sont maintenant accélérés par des processeurs graphiques.

Traitement de signal linéaire pour conversion de fréquence Chocs Avancées 2011 / S. Vidal, J. Luce, S. Hocquet, D. Penninckx (CEA - Cesta), C. Gouédard (CEA-DAM Île-de-France)

Comme pour de nombreuses applications, le Laser MégaJoule (LMJ) nécessite l’utilisation de la lumière ultraviolette. Cependant,on ne sait amplifier de manière cohérente et efficace que de la lumière infrarouge. Il convient donc de changer de « couleur » après amplification. On parle alors de conversion de fréquence (ou de longueur d’onde). Malheureusement, tout système de conversion de fréquence engendre des distorsions de l’impulsion laser par un filtrage non linéaire du spectre. Pour le LMJ, ces distorsions participent à l’endommagement des optiques et sont néfastes pour l’interaction avec la cible : elles doivent donc être limitées au mieux. Pour cela, nous avons proposé une solution innovante qui consiste à utiliser de simples fonctions de transfert linéaires insérées en début de chaîne avant toute amplification. L’ensemble de ces résultats permettra d’optimiser de manière significative les performances du Laser MégaJoule.

Nous cherchons à fabriquer des convertisseurs de fréquence en utilisant des verres comme matrice de base. Nous avons travaillé sur Li2O-Nb2O5–SiO2 (LNS) et montrons qu'un effet thermique (ou poling) permet de générer une susceptibilité non linéaire d'ordre 2 permanente dans le volume. Nos mesures montrent que cette susceptibilité est cinq fois plus grande que dans le quartz. D'autres types de verres ferro-électriques à base de lanthane, de bore et de germanate, sont aussi d'excellents candidats.

La tenue au flux reste un enjeu pour le LMJ. Le centre du Ripault sollicité pour l’amélioration du comportement au flux des cristaux non linéaires KDP (KH2PO4) et DKDP (KD2PO4), a développé le banc SOCRATE et une modélisation spécifiques. Ce banc nanoseconde ne permettant de comprendre l'amorçage de l'endommagement, une collaboration avec le CEA – Saclay s’est engagée en 2006 pour effectuer des mesures interférométriques femtosecondes résolues en temps en mode pompe-sonde. Cette méthode permet d’accéder aux dynamiques d'excitation/relaxation des électrons nécessaires à la compréhension de l'endommagement. On montre que les électrons de valence sont excités par absorption multiphotonique et que leur relaxation dépend de l'isotope (hydrogène ou deutérium). Sur la base d’hypothèses sur les mécanismes physiques mis en jeu lors de l'interaction, un modèle évalue les diverses populations électroniques et, par comparaison aux résultats expérimentaux, détermine des constantes physiques comme les sections efficaces d'absorption multiphotonique ou les temps caractéristiques de relaxation.

Des impulsions laser femtosecondes opérant à des longueurs d’onde différentes sont focalisées dans un gaz pour produire un plasma excitant un rayonnement térahertz (THz) par conversion de fréquence. Des calculs analytiques démontrent l’efficacité d’une impulsion à deux couleurs pour créer un tel rayonnement. Des simulations numériques mettent en évidence les effets de propagation de l’impulsion totale dans ce processus. En accord avec des expériences directes, elles montrent aussi que la quantité de rayonnement THz augmente avec la pression du gaz.

La technique OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) est un procédé d’amplification employé dans le domaine des lasers de puissance qui permet d’obtenir des impulsions ultracourtes avec un bruit optique réduit. Nous avons démontré la possibilité de remplacer les cristaux massifs, habituellement utilisés dans cette technique, par des fibres optiques. Une étape importante a été tout d’abord franchie à la longueur d’onde télécom de 1,55 μm avec la première démonstration expérimentale d’OPCPA dans une fibre. La technologie des fibres microstructurées a ensuite permis d’adapter cette méthode à la longueur d’onde des chaînes laser de puissance. Ce travail représente un grand pas en avant vers la réalisation de systèmes modulaires fibrés pour les pilotes de chaînes laser de puissance.

Les applications sociétales des lasers de puissance, telles que la génération d'énergie par Fusion à confinement inertiel (FCI), la transmutation de produits de fission ou la protonthérapie, nécessitent des cadences de tir bien supérieures à celle des grandes installations scientifiques comme le National Ignition Facility (NIF) ou le Laser mégajoule (LMJ). S'appuyant sur les démonstrateurs technologiques Mercury [1], Halna, Polaris ou LUCIA, une nouvelle génération d'amplificateurs laser est étudiée pour les programmes européens HiPER (High Power laser Energy Research facility) ou ELI (Extreme Light Infrastructure). Les milieux laser retenus émettent dans l'infrarouge proche (l ≈ 1,05 μm). Ce rayonnement est ensuite converti en fréquence dans des cristaux optiques non linéaires, dans le vert pour la génération d'impulsions ultracourtes, voire dans l'ultraviolet pour la FCI. L’emploi de cristaux de LBO, peu sensibles aux effets thermiques, permettrait de porter la puissance moyenne de ces chaînes jusqu’à plusieurs kW.

Sur la base de résultats expérimentaux obtenus en conditions représentatives de l’endommagement laser des cristaux de KDP en régime de conversion de fréquence, nous avons développé un modèle d’endommagement. Ce dernier, qui inclut la présence simultanée de deux impulsions laser de longueur d’onde différente, se fonde sur le transfert de chaleur, la théorie de Mie et un modèle de Drude. La comparaison des résultats expérimentaux et théoriques permet de mieux comprendre les mécanismes physiques mis en jeu. En particulier, on montre qu’un processus d’absorption de 3 photons à 3ω initie l’endommagement laser.

La faisabilité d’un concept d’échantillonnage original est démontrée à partir d’un principe de stroboscopie, sur fibres optiques monomodes, en vue de la réalisation d’oscilloscopes temps réel de nouvelle génération dans le domaine gigahertz - térahertz. Nous validons par l’expérience la possibilité d’acquérir la forme d’une impulsion dans une bande passante de mesure de 100 GHz.

Un réseau de diffraction pour la compression d’impulsions ultra- brèves est gravé sur un cristal photonique bi-dimensionnel composé de trous d’air à sections carrées dans une matrice de silice. La réflexion du faisceau incident est basée sur le contraste des indices de l’air et de la silice. Ce composant optique permet l’utilisation unique de silice, matériau solide qui présente un seuil d’endommagement laser élevé dans le régime femtoseconde.

Des impulsions laser femtosecondes (1 fs = 10-15s) s’auto-focalisant dans une cellule de gaz présentent la particularité de se comprimer en temps après une phase de défocalisation induite par un plasma d’électrons. Cette propriété permet de produire des sources ultrabrèves approchant le cycle optique. Nous présentons des simulations numériques reproduisant les différentes dynamiques qu’une impulsion opérant à 800 nm développe dans une cellule d’argon, impliquant sa phase de filamentation dans le gaz, la traversée de la fenêtre en sortie de cellule, et sa propagation finale dans l’air. Nous montrons que la traversée de la fenêtre élargit significativement l’impulsion, mais que celle-ci se recomprime dans l’air.

Dans le cadre du programme LMJ, la compréhension et la maîtrise des phénomènes d’endommagement des optiques soumises à un flux laser sont cruciales. En 2007, cette problématique a bénéficié d’avancées significatives, tant au niveau théorique qu’expérimental. Un modèle thermique simple, fondé sur l’agrégation de défauts, a permis de rendre compte des principaux faits expérimentaux. Ce modèle fournit des indications sur la nature des défauts précurseurs responsables de l’endommagement laser. D’autre part, un aspect plus empirique consiste à identifier et à sélectionner les matériaux constitutifs des revêtements sol-gel déposés sur les optiques. Cette sélection de matériaux se fait par des mesures de résistance au flux laser dans les conditions représentatives de l’exploitation sur chaîne, et par une maîtrise des conditions d’élaboration de ces couches minces par voie chimique.

Le CEA - DAM s’intéresse à la technologie des lasers pour la fusion thermo- nucléaire. Pour le Laser Mégajoule (LMJ), les choix technologiques sont faits : le matériau laser est du verre phosphate dopé au néodyme. Pour les cellules de Pockels, comme pour les cristaux convertisseurs de fréquence, nous utilisons du KDP, éventuellement deutéré. En marge du programme LMJ, nous réfléchissons à des architectures et à des matériaux lasers susceptibles de délivrer des énergies de l’ordre du mégajoule, avec une cadence de fonction- nement de 10 Hz. Pour accéder à ces cadences, il faut développer de nouveaux matériaux adaptés à des charges thermiques élevées.

Les impulsions optiques femtosecondes ont la propriété de se propager sur de grandes distances dans l’atmosphère. Leur puissance élevée, se situant au-dessus du seuil critique d’auto-focalisation, induit une dynamique de compression spatiale sur le faisceau, qui est arrêtée par la génération d’un plasma de faible densité électronique. La structure optique résultant de cette dynamique est un filament de taille sub-millimétrique et d’intensité élevée. Parce qu’ils développent un spectre large, ces “filaments femtosecondes” sont utilisés pour identifier des polluants atmosphériques à distance. Pour des faisceaux larges ayant des puissances lasers élevées, de nombreux filaments peuvent se former au cours de la propagation de l’impulsion laser. Garantir une propagation de qualité requiert alors de contrôler cette filamentation multiple, de façon à assurer une cohésion maximale du faisceau sur des kilomètres. Durant l’année 2006, les physiciens du CEA - DAM ont obtenu deux résultats importants à ce sujet. Le premier concerne la propagation verticale d’impulsions femtosecondes dans l’air, induisant des variations de pression qui amoindrissent la filamentation multiple. Le deuxième démontre la propagation auto-guidée de faisceaux ultra-puissants (> 30 TW) jusque dans la stratosphère.

La Ligne d’Intégration Laser (LIL) est un laser destiné initialement à tester les choix technologiques faits par les équipes du CEA - DAM pour réaliser le Laser MégaJoule (LMJ) (30 chaînes de 8 faisceaux). Elle est constituée d’une seule chaîne de 8 faisceaux lasers élémentaires, et a été équipée pour être un instrument scientifique pour la physique des plasmas. Elle est implantée sur le site du CEA - Cesta, en Aquitaine, qui fait partie du pôle de compétitivité “Route des Lasers”. Ce pôle, fortement soutenu par le Conseil Régional d’Aquitaine, a été créé pour fédérer, dynamiser et coordonner les retombées industrielles, de recherche et de formation dues à l’implantation locale du programme LMJ. Dans le domaine de la recherche par exemple, un Institut des Lasers et Plasmas (ILP) a été créé et regroupe les acteurs français de la recherche dans les domaines des lasers et des plasmas. L’ILP organise l’accès des chercheurs impliqués dans l’utilisation de la LIL, et plus tard du LMJ, pour des expériences de type académique.

Dans la gamme de longueur d’onde 800 nm – 10,6 μm les matériaux diélectriques sont généralement transparents pour un rayonnement laser dont l’énergie n’excède pas quelques joules/cm2. Au-delà de ce seuil, des phéno- mènes d’interaction entre le rayonnement laser et le diélectrique peuvent apparaître. Un de ces phénomènes, appelé “claquage”, peut modifier la structure du diélectrique en créant au sein du matériau des inhomogénéités structurales. L’origine de ce phénomène est due à l’ionisation partielle du matériau, créant localement un plasma qui devient absorbant, et provoque un échauffement violent et une dilatation. Dans les cas extrêmes, des microfissures peuvent apparaître dans le matériau, mais, en général, ce sont des cavités qui sont produites par l’expansion du plasma au sein même du matériau.