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Science

Les lasers femtosecondes, en mode accéléré

Par Marine Corniou - 20/06/2017

Les lasers femtosecondes repoussent les frontières de la physique.

C’est la plus grosse machine jamais construite par l’homme. Avec son anneau d’une longueur de 27 km, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) de Genève est un terrain de jeu de rêve pour les physiciens. Mais tous les chercheurs ne disposent pas d’un accélérateur de ce calibre, pour dévoiler les secrets fondamentaux de la matière !

Jean-Claude Kieffer, lui, a trouvé la parade. Dans son Laboratoire de sources femtosecondes, à l’INRS, ce sont les lasers qu’il utilise pour accélérer les électrons.
« Les lasers nous permettent de créer de mini-accélérateurs de particules, explique-t-il. En fait, on se sert de la lumière comme d’un piston qui exerce une pression sur la matière et l’accélère. »

Son laboratoire, leader canadien dans le domaine, expérimente deux techniques d’accélération : par plasma et par champ laser. Alors que le laser agit directement sur les électrons, l’accélération laser-plasma s’obtient de façon indirecte. « Les impulsions laser ultracourtes interagissent d’abord avec un gaz et l’ionisent au fur et à mesure, créant des particules chargées. Dans ce plasma, il apparaît alors des sortes de vagues, sur lesquelles les électrons “surfent” pour accélérer », explique le chercheur.

Comme un sillage laissé à la surface de l’eau par un bateau, ces ondes créent en fait des champs électriques intenses capables d’accélérer les particules rapidement et sur de très courtes distances. « À titre de comparaison, on atteint une vitesse donnée en 1 cm, tandis que les accélérateurs linéaires y parviennent en 100 m ! » indique-t-il.

En décembre dernier, l’accélérateur laser-plasma le plus puissant du monde, situé au Lawrence Berkley National Laboratory aux États-Unis, a permis d’accélérer des électrons jusqu’à une valeur d’énergie de 4,25 gigaélectronvolts (GeV) dans un tube long de 9 cm. Soit un gradient d’énergie 1 000 fois plus important que ce que des accélérateurs de particules classiques, permettent d’obtenir ! C’est dire l’enthousiasme que suscitent ces nouveaux outils, capables de « propulser » avec une puissance extrême les électrons, mais aussi les protons ou les ions. À l’INRS aussi, on s’apprête à battre des records. Grâce à un financement privé, le laboratoire va pouvoir augmenter, dès janvier 2016, la puissance de ses installations laser, qui passeront de 200 à 500 térawatts, ce qui équivaut à quelques centaines de fois la puissance de toutes les centrales électriques du monde.

Mais ce n’est pas tout : en réduisant considérablement la taille et le coût des dispositifs requis pour accélérer les particules, les lasers femto-secondes ouvrent la voie à de nombreuses applications industrielles et médicales. C’est d’ailleurs une source de motivation pour Jean-Claude Kieffer qui espère notamment mettre au point de nouveaux outils de protonthérapie. Cette technique consiste à détruire les cellules cancéreuses en les bombardant avec un faisceau de protons très précis, minimisant les « dommages collatéraux ». Actuellement, elle implique des accélérateurs conventionnels (de gros cyclotrons) dans lesquels des champs magnétiques et électriques accélèrent les protons de façon circulaire jusqu’à atteindre les énergies nécessaires. Sans surprise, peu d’institutions dans le monde peuvent aujourd’hui offrir à leurs patients la protonthérapie, surtout indiquée pour traiter les cancers du cerveau et de l’œil. Mais les lasers femtosecondes pourraient la démocratiser.
« Lorsque l’on bombarde une cible solide avec un laser à impulsions ultracourtes, on fait chauffer la matière ; les électrons sont expulsés, arrachant avec eux des ions et des protons, par effet de fronde », explique le physicien. Résultat, on peut générer des faisceaux de protons avec des machines bien plus compactes qu’un cyclotron. On pourrait donc en installer dans les hôpitaux à un coût moindre.
 
Laser de 4e génération

Au Laboratoire de sources femtosecondes, Jean-Claude Kieffer focalise son énergie sur un projet ambitieux : la création d’un laser dit à électrons libres, en collaboration avec le Centre canadien de rayonnement synchrotron situé à Saskatoon. Contrairement aux lasers classiques qui utilisent des atomes ou des molécules excités pour amplifier la lumière, cette nouvelle génération de lasers fonctionne grâce à un faisceau d’électrons libres – c’est-à-dire non liés à des atomes – accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière. « On fait passer ces électrons dans un onduleur, c’est-à-dire une série d’aimants, et ils se mettent à osciller ainsi qu’à émettre de la lumière », explique le physicien.

Les lasers à électrons libres permettent d’émettre des impulsions très courtes et d’ajuster la fréquence dans une gamme très large, depuis l’infrarouge jusqu’aux rayons X, en modifiant la vitesse des électrons. Mais leur coût est prohibitif : il n’en existe pour l’instant que deux dans le monde, un en Allemagne et l’autre aux États-Unis, à Stanford. Ce dernier, le Linac Coherent Light Source (LCLS), le plus puissant du monde, produit des impulsions de rayons X au moins 1 milliard de fois plus intenses que les sources conventionnelles les plus puissantes. « Notre but est de créer un laser à électrons libres à un coût très réduit : il devrait être opérationnel dès 2016 », annonce M. Kieffer.
 

Texte réalisé dans le cadre d'un dossier sur la lumière, en collaboration avec le réseau UQ.
 

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