Un interféromètre ONERA accompagne Gérard Mourou, prix Nobel de physique 2018, dans sa quête des puissances laser extrêmes

Gérard Mourou, professeur et membre du Haut-collège de l’École polytechnique vient de recevoir le prix Nobel de physique 2018. Il partage cette récompense avec sa doctorante Donna Strickland pour leur invention qui vise la montée en puissance crête et moyenne des lasers. L’idée est de créer des impulsions ultra-brèves, de quelques centaines de femto-secondes, porteuses de fortes énergies. Malheureusement, à partir d’un certain seuil ces impulsions finissent par dégrader le laser. Par une technique d’étalement en fréquence appelée “ chirp ”, Gérard Mourou et Donna Strickland ont réussi à franchir ce seuil en 1985, permettant de relancer la course à la puissance. Cette technique est d’ailleurs toujours la technique de référence et permet maintenant de parler de science de l’exawatt (1018 W) voire du zettawatt (1021 W), c’est-à-dire d’aborder tout un domaine de physique appelée ultra-relativiste.

 

Pour cette montée en puissance, il est aussi nécessaire d’assurer une très bonne focalisation du faisceau laser donc d’en mesurer les défauts.  La voie retenue par Gérard Mourou, alors au Center for Ultrafast Optical Science (CUOS) de l’université de Michigan à Ann Arbor, avec Jean-Christophe Chanteloup (LULI, Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses) et Frédéric Druon (LCFIO, Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique) a été d’utiliser un tout nouveau moyen interférométrique inventé par Jérôme Primot de l’ONERA, appelée Multi-Lateral Shearing Interferometry (MLSI) qui présentait des caractéristiques d’achromatisme, de sensibilité et de réglage particulièrement adaptées pour ce type de besoin [1]. La chaîne laser réalisée au CUOS sous la direction de Gérard Mourou, intégrant ce moyen ONERA, a permis de réaliser plusieurs premières mondiales. Celles-ci représentent les premières utilisations scientifiques de l’interféromètre ONERA. Depuis, ces interféromètres sont commercialisés par Phasics, sous licence ONERA.

 

De retour en France, Gérard Mourou a décidé d’explorer une nouvelle voie pour continuer à monter en puissance. L’idée est de faire coopérer un très grand nombre de lasers à fibre élémentaires (le projet évoque quelques milliers, voire le million), qui travaillent dans leur régime de confort et de les mettre tous en phase avant de les focaliser. Ce projet appelé CAN, a été réalisé en coopération entre l’Ecole polytechnique, le Laboratoire d’Optique Avancé (LOA) de l’Ecole Nationale Supérieure des Techniques Avancées (ENSTAParisTech) où était basé Gérard Mourou à cette époque, le Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (LULI) de l’École polytechnique, l’Institut d’Optique Graduate School (IOGS), Thales R&T et l’ONERA. Il a permis de montrer les potentialités de cette voie, par la mise en phase de 64 fibres, record toujours en cours, expérience réalisée par Cindy Bellanger alors à Thales R&T, encadrée par Arnaud Brignon et dirigée par Jérôme Primot [2] à laquelle participaient aussi Laurent Lombard de l’ONERA et Jérôme Bourderionnet de Thales R&T. La collaboration avec Thales R&T a été poursuivie sur ce thème avec la thèse de Marie Antier [3].

 

Le projet CAN, sur l’impulsion de Gérard Mourou, est devenu par la suite un projet international (I-CAN ou international-CAN [4]) regroupant les principaux laboratoires sur le sujet : l’ONERA, Thales, L’École polytechnique, l’IOGS, l’ORC (Optoelectronics Research Centre, Southampton, UK), l’IOF (Iéna, Allemagne), l’université de Californie et Amplitude Systèmes (Bordeaux). Plusieurs architectures ont été imaginées et ont donné naissance à des projets comme XCAN (Thales R&T – LULI) [5], mené par Jean Christophe Chanteloup. Depuis, l’ONERA continue de travailler sur le sujet de la combinaison cohérente. Cindy Bellanger a rejoint l’ONERA et a proposé une variante de la technique inventée à l’ONERA, appelée PISTIL interferometry (PISton and TILt) [6] et développée dans la thèse de Maxime Deprez, boursier CIFRE entre l’ONERA et la société Phasics. Cette méthode a produit, avec succès, une mesure absolue de la qualité d’un front d’onde issu de l’amplification et combinaison en cohérence des faisceaux lasers du prototype XCAN [7], franchissant ainsi un pas décisif pour la réalisation de ces nouvelles architectures de lasers ultra-intenses. 

 

[1] Druon, F., Chériaux, G., Faure, J., Nees, J., Nantel, M., Maksimchuk, A., G. Mourou, J C Chanteloup & Vdovin, G. Wave-front correction of femtosecond terawatt lasers by deformable mirrors. Optics letters, 23(13), 1043-1045 (1998).

 

[2] Bellanger, C., Toulon, B., Primot, J., Lombard, L., Bourderionnet, J., & Brignon, A. Collective phase measurement of an array of fiber lasers by quadriwave lateral shearing interferometry for coherent beam combining. Optics letters, 35(23), 3931-3933 (2010).

 

[3] Antier M., Bourderionnet J., Larat C., Lallier E., Lenormand E. Primot J., Mourou G., and Brignon A., Highly scalable coherent fiber combining using interferometric technique. in CLEO, OSA Technical Digest (online) Optical Society of America, paper CW3M.4 (2013).

 

[4] Brocklesby, W. S., Nilsson J., Schreiber T., Limpert J., Brignon A., Bourderionnet J., Lombard L., Michau V., Hanna M., Zaouter Y., Tajima T., et Mourou G., ICAN as a New Laser Paradigm for High Energy, High Average Power Femtosecond Pulses. The European Physical Journal Special Topics 223(6):118995 (2014).

 

[5] https://portail.polytechnique.edu/izest/en/en/science-techn/laser-technology/xcan

 

[6] Deprez M., Bellanger C., Lombard L., Wattellier B. and Primot J., Piston and tilt interferometry for segmented wavefront sensing, Optics letters, 41(6) 1078-1081 (2016)

 

[7] Deprez M., Moyen de métrologie pour la conception et l’évaluation de chaines lasers hyper intenses utilisant la recombinaison cohérente de lasers élémentaires, Thèse de doctorat (2018). ?