
Une équipe d'IJCLab vient de franchir une étape majeure dans le domaine des lasers de haute puissance. En atteignant une puissance stable de 710 kilowatts dans une cavité optique les chercheurs établissent un nouveau record mondial. Cette prouesse technologique ouvre la voie à des applications révolutionnaires en physique fondamentale et en imagerie médicale. En image : cavité Fabry-Pérot hémisphérique à quatre miroirs en configuration bow-tye de l’équipe ILE, utilisant des lasers infrarouges (illustrés en rouge) © IJCLab - Daniele Nutarelli
L'équipe ILE (Interaction Lasers Électrons) développe depuis plus de 20 ans une expertise unique dans le domaine des cavités optiques Fabry-Pérot de haute puissance moyenne. Ces cavités, formées de miroirs perfectionnés, permettent de "piéger" et d'amplifier considérablement la puissance d'un faisceau laser - transformant un laser initial de quelques watts en un faisceau de plusieurs centaines de milliers de watts grâce à des réflexions multiples entre les miroirs.
Cette technique est essentielle pour des projets internationaux majeurs comme le FCC-ee (futur collisionneur circulaire d'électrons au CERN) et l'ILC (Collisionneur Linéaire International), notamment pour la polarimétrie - la mesure précise de la polarisation des faisceaux.
En 2013, la participation au projet Mighty Laser au Japon marque une première victoire avec la production de rayons gamma polarisés par Compton inverse. Une décennie d'améliorations en puissance et stabilité du système Laser-Cavité suit, notamment grâce à une collaboration étroite avec le Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA) de Lyon pour le développement de miroirs multicouches de très haute qualité.
ThomX- La cavité optique au point d’interraction avec les électrons stockés dans l’anneau (entre les dipoles rouges), à l’origine de la production des rayons X © IJCLab - Daniele Nutarelli
Ces efforts aboutissent à deux succès majeurs : la production de rayons X sur l'accélérateur ThomX en juin 2023, puis l'établissement d'un record mondial en juillet 2024 avec une puissance laser stable de 710 kilowatts stockée dans une cavité optique - une performance d'amplification remarquable comparable à la puissance d'une petite centrale électrique.
Puissance moyenne stockée dans l’OEC comparé à la puissance moyenne d’entrée - Fig. 2 "710 kW stable average power in a 45,000 finesse two-mirror optical cavity". Lett. 49, 6884-6887 (2024)
L'objectif du mégawatt (1000 kilowatts) de puissance stockée semble désormais accessible. Cette performance sera cruciale pour des projets innovants comme GammaFactory au CERN - qui vise à produire des faisceaux de photons hautement énergétiques - et SSMB (Steady-State Microbunching) - une nouvelle méthode pour générer des rayonnements intenses en regroupant les électrons en micro-paquets.
Cette recherche à la frontière de l'optique et de la physique des accélérateurs ouvre la voie à de nombreuses applications, de l'imagerie médicale à la physique fondamentale.
Pour aller plus loin :
L'équipe ILE franchit une étape majeure dans l'optimisation des cavités optiques de haute puissance avec l'obtention d'une puissance moyenne stable record de 710 kW dans une cavité Fabry-Pérot hémisphérique à quatre miroirs en configuration bow-tye présentant une finesse exceptionnelle de 45 000 - un paramètre qui quantifie la capacité de la cavité à emmagasiner la lumière.
Cette configuration utilise un miroir d'entrée Suprasil 3001 plan (transmission 113 ± 1 ppm) et un miroir de sortie ULE avec un rayon de courbure de 2,241 m (transmission 1,75 ± 0,01 ppm). L'optimisation de la géométrie de la cavité, notamment la prise en compte des effets thermiques (lentille thermique et déformation des surfaces), a permis d'atteindre un facteur d'amélioration effectif de 18 400, établissant ainsi un nouveau standard pour les systèmes laser de haute puissance moyenne.
Cette performance résulte d'avancées significatives dans plusieurs domaines :
- La maîtrise des effets thermiques dans les revêtements des miroirs (absorption <0,6 ppm)
- L'optimisation du couplage mode-matching (adaptation précise entre le faisceau laser incident et la cavité)
- La stabilisation active via technique Pound-Drever-Hall
- Le développement de miroirs multicouches haute performance (collaboration LMA-Lyon)
Ces résultats ouvrent la voie vers le régime du mégawatt, crucial pour des projets comme GammaFactory (CERN) et SSMB, tout en démontrant une amplification exceptionnelle : 200 kW obtenus avec seulement 11 W de puissance laser incidente, permettant une réduction significative des coûts pour les sources de rayonnement basées sur la diffusion Compton.
Cette avancée majeure est le fruit d'une collaboration internationale réunissant des experts de plusieurs institutions. IJCLab salue particulièrement le travail remarquable de l'équipe ILE et de l'ensemble des chercheurs et ingénieurs ayant contribué à l'établissement de ce record mondial :
- IJCLab : Ronic Chiche, Kevin Dupraz, Aurélien Martens, Daniele Nutarelli, Viktor Soskov et Fabian Zomer
- CELIA - CNRS (Centre Lasers Intenses et Applications) : Jérôme Lhermite
- LMA (Laboratoire des Matériaux Avancés - IP2I) : Christophe Michel et Laurent Pinard
- Université Tsinghua : Xin-Yi Lu, Xing Liu, Li-Xin Yan, Wen-Hui Huang et Chuan-Xiang Tang
Cette réussite souligne l'excellence de la recherche menée à IJCLab, soutenue par le CNRS Nucléaire et Particules (IN2P3) et l'Université Paris-Saclay, et illustre la force des collaborations internationales dans l'avancement de la recherche fondamentale.