Cellules multi-passages de nouvelles générations d'accélérateurs laser-plasma – MILLSTREAMS

Au cours des dernières décennies, des champs optiques intenses et ultracourts ont été couramment utilisés pour un large éventail d'applications, allant de l'étude ultrarapide de l'interaction laser-matière à la production de faisceaux secondaires ultrarapides de particules et de rayonnements. L'impact considérable des lasers ultrarapides actuels, ainsi que les applications potentielles, posent des exigences sévères pour les caractéristiques clés des lasers ultrarapides de demain, notamment avec des puissances crête et moyennes plus élevées, des durées d'impulsion plus courtes et de meilleures efficacités à la prise. En particulier, les accélérateurs laser-plasma compacts à haut flux pilotés par laser (LPA), qui représentent une formidable application des lasers ultrarapides, pourraient grandement en tirer partie dans les domaines de diagnostic médical, de radiothérapie et d'imagerie à l'échelle de l'industrie.
Si l'accélération laser-plasma est bien établie dans de nombreux laboratoires, l'un des principaux obstacles au déploiement à grande échelle des LPA est le très faible taux de répétition. En effet, les LPA sont aujourd'hui presque entièrement basés sur la technologie des lasers Titane-Saphir. Cependant, un changement de paradigme est en cours dans la technologie des lasers à haute puissance et ouvre aujourd'hui une voie entièrement nouvelle pour relever ce défi : les lasers Ytterbium (Yb) à haute puissance moyenne, post-comprimés à des durées d'impulsion courtes, apparaissent comme des solutions puissantes combinant à la fois les taux de répétition et les puissances crête les plus élevés. En particulier, l'invention récente d'une nouvelle technique de post-compression, basée sur les cellules multi-passages (MPC), ouvre un immense champ des possibles.
Ce concept de quasi-guidage offre de nombreux avantages par rapport aux structures de guidage conventionnelles. Il a permis d'obtenir des résultats fondateurs, délivrant des impulsions inférieures à 50 fs à des puissances moyennes supérieures à 1 kW, a permis la post-compression femtoseconde à des énergies d'impulsion supérieures à 100 mJ avec de grands facteurs de compression, et permet également d'accéder à des impulsions particulièrement courtes, de quelques cycles optiques seulement. Ainsi, les MPC jouent aujourd'hui un rôle majeur dans de multiples domaines, et notamment celui de l'optique ultrarapide. Toutefois, les mécanismes fondamentaux qui sous-tendent ces systèmes non-linéaires de quasi-guidage sont encore assez mal compris.
Ces considérations impliquent de relever les principaux défis suivants :
? Comprendre la physique inhérente aux couplages spatio-temporels et aux caractéristiques des impulsions dans les MPC. En particulier, il convient de développer des méthodes permettant d'obtenir des impulsions de quelques cycles de classe TW post-comprimées avec un contraste d'impulsion temporel élevé et une excellente qualité de faisceau spatial.
? Les systèmes de quasi-guidage MPC présentent d'excellentes capacités d'évolution en termes d'énergie. Cependant, les méthodes de mise à l'échelle des systèmes de post-compression au niveau multi-100 mJ et à faible encombrement doivent encore être démontrées.
Relever ces défis nécessitera le développement de concepts théoriques profonds de la physique sous-jacente ainsi que des efforts numériques et expérimentaux dédiés, ciblant la compression et le nettoyage temporel d'impulsions femtoseconde, ainsi qu'une mise à l'échelle efficace et compacte de l'énergie. Cela permettra la démonstration finale d'impulsions laser multi-TW de haute qualité à des taux de répétition de l'ordre du kHz pour les sources LPA de nouvelle génération, avec des perspectives qui changeront la donne pour les systèmes laser hautement énergétiques de manière générale.