Les scientifiques de l'Université d'Oxford ont dévoilé une méthode pionnière pour capturer toute la structure des impulsions laser ultra-intenses en une seule mesure. La percée, publiée en collaboration étroite avec l'Université Ludwig-Maximilien de Munich et le Max Planck Institute for Quantum Optics, pourrait révolutionner notre capacité à contrôler les interactions légères.
Cela aurait des applications transformatrices dans de nombreux domaines, notamment la recherche sur de nouvelles formes de physique et la réalisation des intensités extrêmes nécessaires à la recherche sur l'énergie de fusion. Les résultats ont été publiés dans Photonique de la nature.
Les lasers ultra-intenses peuvent accélérer les électrons à des vitesses proches dans une seule oscillation (ou «cycle d'onde») du champ électrique, ce qui en fait un outil puissant pour étudier la physique extrême. Cependant, leurs fluctuations rapides et leur structure complexe rendent les mesures en temps réel de leurs propriétés difficiles.
Jusqu'à présent, les techniques existantes nécessitaient généralement des centaines de prises de vue laser pour assembler une image complète, limitant notre capacité à capturer la nature dynamique de ces impulsions légères extrêmes.
La nouvelle étude, conjointement dirigée par des chercheurs du Département de physique de l'Université d'Oxford et de l'Université de Munich de Ludwig-Maximilien, décrit une nouvelle technique de diagnostic à un seul coup, nommé Raven (acquisition en temps réel de champs quasi-champs électromagnétiques vectoriels). Cette méthode permet aux scientifiques de mesurer la forme complète, le calendrier et l'alignement des impulsions laser ultra-intenses individuelles avec une haute précision.
Avoir une image complète du comportement de la pouls laser pourrait révolutionner les gains de performance dans de nombreux domaines. Par exemple, il pourrait permettre aux scientifiques de affiner les systèmes laser en temps réel (même pour les lasers qui ne tirent qu'occasionnellement) et de combler l'écart entre la réalité expérimentale et les modèles théoriques, fournissant de meilleures données pour les modèles informatiques et les simulations alimentées par AI.
La méthode fonctionne en divisant le faisceau laser en deux parties. L'un d'eux est utilisé pour mesurer la façon dont la couleur du laser (longueur d'onde) change avec le temps, tandis que l'autre partie passe à travers un matériau biréfringent (qui sépare la lumière avec différents états de polarisation). Un réseau de microlens (une grille de minuscules lentilles) enregistre ensuite comment le front d'onde du laser (forme et direction) est structuré.
Les informations sont enregistrées par un capteur optique spécialisé, qui les capture dans une seule image à partir de laquelle un programme informatique reconstruit la structure complète de l'impulsion laser.
Le chercheur principal Sunny Howard (chercheur de doctorat au département de physique de l'Université d'Oxford et scientifique invité à l'Université de Ludwig-Maximilien de Munich) a déclaré: « Notre approche permet, pour la première fois, la capture complète d'une impulsion laser ultra-intense en temps réel, y compris son état de polarisation et une structure interne complexe.
« Cela fournit non seulement des informations sans précédent sur les interactions laser-matière mais ouvre également la voie à l'optimisation des systèmes laser de haute puissance d'une manière qui était auparavant impossible. »
La technique a été testée avec succès sur le laser de classe Petawatt Atlas-3000 en Allemagne, où elle a révélé de petites distorsions et des changements de vagues dans le pouls laser qui étaient auparavant impossibles à mesurer en temps réel, permettant à l'équipe de recherche d'affiner l'instrument.
Ces distorsions, connues sous le nom de couplages spatio-temporelles, peuvent affecter considérablement les performances des expériences laser à haute intensité.
En fournissant une rétroaction en temps réel, Raven permet des ajustements immédiats, en améliorant la précision et l'efficacité des expériences de physique du plasma, d'accélération des particules et de science de densité à haute énergie. Il en résulte également des économies de temps significatives, car plusieurs prises de vue ne sont pas nécessaires pour caractériser pleinement les propriétés de l'impulsion laser.
La technique fournit également une nouvelle voie potentielle pour réaliser des dispositifs d'énergie de fusion inertielle en laboratoire – une pas de passerelle clé vers la génération d'énergie de fusion à une échelle suffisante pour alimenter les sociétés. Les dispositifs d'énergie de fusion inertielle utilisent des impulsions laser ultra-intenses pour générer des particules très énergiques dans un plasma, qui se propagent ensuite dans le carburant de fusion.
Ce concept de « chauffage auxiliaire » nécessite une connaissance précise de l'intensité d'impulsion laser focalisée pour cibler pour optimiser le rendement de fusion, maintenant fourni par Raven. Les lasers focalisés pourraient également fournir une sonde puissante pour la nouvelle physique – par exemple, générer une diffusion photon-photon dans le vide en dirigeant deux impulsions les unes aux autres.
Le co-auteur, le professeur Peter Norreys (Département de physique, Université d'Oxford), a déclaré: «Lorsque la plupart des méthodes existantes nécessiteraient des centaines de coups de feu, Raven obtient un nouveau outil spatio-temporel complet d'une impulsion laser dans une seule. technologie.
Le co-auteur du Dr Andreas Döpp (Faculté de physique, Ludwig-Maximiliens-University Munich et scientifique en visite à la physique atomique et laser, à l'Université d'Oxford), « peu de temps après que Sunny nous a rejoints à Munich pendant une année, il a finalement » cliqué « et nous avons réalisé le beau résultat de l'emplacement et du délai: des effets tels que des émeutes ultra-intention Focus, il existe des limites fondamentales sur la résolution nécessaire pour effectuer ce type de diagnostic.
« C'était un changement de jeu, et nous avons signifié que nous pouvions utiliser des microlences, ce qui rend notre configuration beaucoup plus simple. »
À l'avenir, les chercheurs espèrent étendre l'utilisation de Raven à une gamme plus large d'installations laser et explorer son potentiel dans l'optimisation de la recherche d'énergie de fusion inertielle, des accélérateurs de particules basés sur le laser et des expériences d'électrodynamique quantique à champ élevé.
