Faire fusionner deux faisceaux laser.

La mise en œuvre des lasers ultra-intenses qui seront prochainement produits par des sources telles que le laser MegaJoule (Bordeaux) nécessite de maitriser des phénomènes physiques pouvant conduire à la détérioration de la qualité optique des faisceaux. A cause de leur très forte intensité, ceux ci modifient de manière conséquente les propriétés optiques du milieu qu’ils traversent. Des physiciens du Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (LULI – CNRS / CEA / UPMC / Ecole Polytechnique), du Centre lasers intenses et applications (CELIA – Univ. de Bordeaux 1 / CNRS / CEA), de l’Université d’Osaka (Japon) et le Fox Chase Cancer Center de Philadelphie (USA) ont pour la première fois éclairci un de ces phénomènes fondamentaux, le couplage entre faisceaux lasers voisins. Ils ont observé et analysé comment et sous quelles conditions plusieurs faisceaux pouvaient se fondre en un seul, phénomène nuisible pour la bonne réalisation des expériences projetées avec ce dispositif. Ce résultat fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Physics.

L’un des objectifs du laser MegaJoule est l’étude des réactions de fusion contrôlée. Un grand nombre de faisceaux laser ultra intenses seront focalisés sur une même cible afin de créer et comprimer un plasma à des densités et températures suffisantes pour initier des réactions de fusion nucléaire. En se propageant, chacun de ces faisceaux modifie l’indice optique du milieu qu’il traverse affectant à la fois sa propre propagation et celle des faisceaux voisins. L’élucidation du couplage entre chaque faisceau, le plasma et les autres faisceaux est un point clef pour permettre la réalisation optimale des expériences de fusion, et partant, la maîtrise de la fusion nucléaire contrôlée.

Les physiciens se sont penchés sur ce problème : l’équipe a exploité les installations laser de puissance du LULI et un diagnostic original développé au sein de l’université d’Osaka. Ce diagnostic permet notamment de suivre, en une sorte de « film », la dynamique spatiale d’un faisceau laser de puissance qui reproduit, à échelle réduite, les propriétés d’un des très nombreux faisceaux des installations de fusion. Ainsi ont pu être observées pour la première fois les modifications induites sur le faisceau laser intense lui-même par son couplage avec la matière ionisée : éclatement, dispersion, déviation ou focalisation, tous phénomènes dépendant des paramètres du laser et de la matière. Mettant ensuite en présence deux faisceaux laser intenses, l’équipe a pu ensuite observer, dans certaines conditions, le couplage ces deux faisceaux pour former un faisceau unique en sortie du milieu, phénomène de « fusion lumineuse » qui peut être particulièrement dangereux pour les expériences de fusion nucléaire où on cherche au contraire à disposer d’un éclairement laser sur cible le plus homogène possible, et donc à prévenir la formation de tels agrégats lumineux. Les phénomènes physiques en jeu dans les observations ont pu être explicités grâce à des simulations numériques réalisées au CELIA. Les phénomènes d’agrégation entre faisceaux lumineux avaient déjà été mis en évidence dans des milieux solides ou gazeux, mais entre des faisceaux laser de bien moindre puissance et via des phénomènes physiques complètement différents. La physique en jeu dans ces expériences exploite une non-linéarité propre à la matière ionisée présente dans les expériences de fusion et la longue durée des impulsions lumineuses qui y sont utilisées. La compréhension de ce phénomène devrait permettre d’avancer vers une meilleure optimisation des futures expériences de fusion nucléaire par un paramétrage adéquat des faisceaux laser utilisés.

tir145animation par julienfuchs