XCAN : vers de nouveaux lasers toujours plus performants

Faire de l’École polytechnique une référence dans le domaine des lasers

Découvert en 1960 par le physicien américain Théodore Maiman, le laser (de l’anglais Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fait désormais partie de notre environnement quotidien, du lecteur de disques aux imprimantes, des applications médicales aux applications industrielles. Bien qu’il existe aujourd’hui de nombreux lasers aux utilisations multiples, leurs architectures se heurtent à des limites physiques que le programme XCAN propose de dépasser. Lancé à l’initiative de Gérard Mourou, lauréat du prix Nobel de Physique en 2018, ce programme de recherche a pour objectif de faire de l’École polytechnique un précurseur dans le domaine des lasers.

Une puissance inégalée et une cadence de tirs très élevée

Pour obtenir des lasers plus puissants avec un meilleur rendement énergétique, Jean-Christophe Chanteloup, chargé de recherche CNRS et membre du Laboratoire d’Utilisation des Lasers Intenses (LULI), et son équipe, développent à l’X une nouvelle génération de lasers basée sur un changement radical de leur architecture reposant classiquement sur l’amplification d’un unique faisceau de dimension importante. Pour ce faire, ils séparent un faisceau initial de petite taille et peu énergétique via un réseau de fibres optiques, pour ensuite les amplifier individuellement et au final, recombiner les faisceaux lasers individuels de manière cohérente et ainsi obtenir une puissance inégalée et une cadence de tirs très élevée. « Lorsque nous avons lancé le programme XCAN, notre objectif était de combiner 61 canaux pour obtenir une énergie de 3 milli-joules et une cadence de 200 kHz en générant un train d’impulsion de 300 fs (femto-secondes) par impulsion. À ce jour, nous avons réussi à combiner 60 canaux et à atteindre 300 fs par impulsion. Dans le cadre de la thèse X-DGA d’Anke Heilmann, nous avions préalablement validé le concept avec un prototype à 7 faisceaux », explique Jean-Christophe Chanteloup. 

Du programme XCAN au programme post-XCAN

Fort de ces avancées, le programme XCAN entre dans une nouvelle phase de son développement. Pour élargir le champ applicatif à court terme, les équipes de recherche souhaitent réduire la durée d’impulsion à 30 fs voire à 5 fs. En effet, la très haute cadence de XCAN devrait permettre de mettre en lumière des phénomènes physiques prédits par la théorie mais très difficilement observables à cause de la faible récurrence des lasers actuels. « Le programme post-XCAN que nous préparons pour 2019-2022 devrait intéresser d’autres chercheurs qui utilisent des lasers, comme par exemple ceux dont les travaux portent sur la physique de l’interaction laser/matière », indique Jean-Christophe Chanteloup. Projet semi-industriel mené conjointement avec les équipes de Thales depuis avril 2015, XCAN ouvre de nouvelles perspectives pour répondre aux enjeux scientifiques et sociétaux. « Dans le cadre du programme post-XCAN, nous allons continuer à collaborer avec Thales avec l’objectif de mettre en place une nouvelle station de travail pour faire du micro-usinage de la matière et de la micro-structuration », ajoute le chercheur. Les caractéristiques de la nouvelle génération de lasers développées à l’École polytechnique avec le soutien des donateurs de la Fondation, suscitent un vif intérêt. Les applications à plus ou moins long terme sont en effet nombreuses : photolithographie XUV, transmutation des déchets nucléaires ou encore dépollution spatiale en orbite basse.

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