Système femtoseconde terawatt à base d'alexandrite pompé par LED – TERALEDx

Le projet TERALEDx a pour objectif de développer un nouveau laser femtoseconde terawatt adapté à l'accélération laser-plasma. Après des avancées de recherche très rapides dans les 20 dernières années, cette méthode de génération de particules énergétiques se rapproche maintenant des applications. L'une des plus prometteuses est le contrôle non destructif (CND) par rayons X qui permet de détecter et dimensionner les défauts d’objets et de suivre leur évolution. Les secteurs concernés par le CND sont : l'énergie (nucléaire, pétrolière, gazière, hydraulique, éolienne, etc.) ; les transports terrestres (notamment ferroviaires) ; la marine ; l’aéronautique ; l’aérospatiale ; la défense et la sécurité…
Pour répondre aux besoins industriels du CND, il faut changer de paradigme au niveau des méthodes d'accélération laser-plasma qui sont traditionnellement associées à de grandes installations lasers de forte énergie (> 1 J) par impulsion, dont le nombre mondial plafonne à une centaine. C'est l'objectif de SourceLAB, la seule entreprise au monde développant des sources de particules par accélération laser-plasma à visée industrielle. La stratégie de SourceLAB est de mettre au point une ligne de faisceau de particules à partir d'un laser femtoseconde de conception beaucoup plus simple dont les paramètres sont typiquement 10 mJ, 10 fs, 100 Hz au niveau de la cellule de gaz servant à l'accélération laser-plasma. Aujourd'hui, la réalisation d'une telle source est très ouverte car aucune des technologies traditionnelles des lasers femtoseconde (Ti:saphir ou ytterbium) ne répond pleinement au cahier des charges.
C'est dans ce contexte que le Laboratoire Charles Fabry (LCF) propose une architecture laser totalement originale, basée sur des cristaux d'alexandrite pompés par LED. Le LCF a une expérience de 10 ans sur le pompage par LED de lasers accordables dans l'infrarouge proche via des concentrateurs luminescents. Lors d'un projet de recherche ASTRID (nommé ALEDxandrite), le LCF a fait la preuve de concept de ce nouveau type de pompage. Il a fait mûrir la technologie des têtes de pompage (milieu laser + système de pompe) jusqu'à un niveau TRL3 en développant une série de prototypes. Le pompage par LED combine les avantages des autres types de pompage, sans les inconvénients : robuste, simple et de faible coût, comme les lampes flash ; efficace, stable et de longue durée de vie comme les diodes laser. Dans une chaîne laser femtoseconde, le pompage est déterminant pour la qualité du laser. Ainsi, le pompage par LED a tous les attributs requis pour faire une chaîne laser à vocation industrielle.
SourceLAB et le LCF ont donc décidé d'associer leurs compétences, qui sont complémentaires, pour développer un laser femtoseconde pompé par LED adapté à l'accélération laser-plasma. L'architecture est conçue de façon modulaire en intégrant dès le départ les exigences de l'accélération laser-plasma à vocation industrielle (contraste temporel, stabilité et opérabilité de la source). Le système laser est constitué de plusieurs blocs : la source délivrant les impulsions étirées temporellement puis les blocs de compression à réseaux et de post-compression permettant de réduire la durée à 10 fs par automodulation de phase dans une cellule de gaz. La chaîne laser comprend un oscillateur femtoseconde, un étireur d'impulsion et deux amplificateurs pompés par LED utilisant l'alexandrite comme milieu amplificateur. Ce cristal est accordable dans l'infrarouge proche (700-800 nm) et il a des propriétés mécaniques, spectroscopiques et thermiques exceptionnelles pour un milieu laser. Utilisé depuis longtemps dans les lasers médicaux, l'alexandrite a un fort potentiel de développement industriel. Pour donner la preuve de la pertinence de l'architecture, le projet TERALEDx a pour objectif final d'installer la chaîne laser sur la ligne d'accélération laser-plasma de SourceLAB afin de faire une campagne de mesures donnant les performances du système complet.