4 axes clés

3 axes technologiques et un quatrième axe pour des expérimentations directes en physique des plasmas chauds

Aussi bien les installations scientifiques que les applications industrielles ou médicales mettant en œuvre des systèmes lasers demandent d’en augmenter la puissance moyenne, et ceci à des coûts abordables.

Pour les installations scientifiques, l’objectif au niveau mondial est ainsi d’augmenter la cadence pour les lasers à haute énergie, qu’ils soient ensuite utilisés pour de la physique UHI (Ultra Haute Intensité) ou HDE (Haute Densité d’Energie), en visant le kilojoule (kJ) à 10 Hz (hertz) à l’horizon 2025 ou plus. Pour les applications industrielles et médicales, il existe aujourd’hui une offre de lasers à haute cadence, mais à faible énergie. Des points de fonctionnement de quelques J à quelques dizaines de Hz sont recherchés dans les années qui viennent, avec une augmentation des performances à terme.

LEAP s’inscrit dans un objectif global de développement de la filière laser en Nouvelle Aquitaine, depuis la technologie laser jusqu’aux applications scientifiques, industrielles et médicales.

Le Conseil Régional de Nouvelle Aquitaine, les établissements de recherche et le Pôle de Compétitivité Route des Lasers ont souhaité que les différents grands projets industriels et académiques récemment présentés et soutenus dans cet objectif soient mis en synergie au sein d’une large Alliance Technologique Laser.

 

 

Installations

Technologies

Les travaux de LEAP ont pour objectif d’augmenter la récurrence des lasers. Ils sont organisés en 3 axes technologiques, et un quatrième axe pour des expérimentations directes en physique des plasmas chauds.

Le CELIA, le CEA CESTA et ALPhANOV sont porteurs de 3 objectifs technologiques dont l’atteinte s’appuiera sur des travaux transverses. En effet, les 3 axes technologiques s’appuieront sur des travaux communs entre les partenaires, car ils requièrent les mêmes compétences à la frontière entre laser, thermique et mécanique : simulation, techniques expérimentales (mise en œuvre des diodes, techniques de refroidissement, géométrie de pompage…). En particulier la mise en place progressive d’une simulation thermo-optique, partant de la démarche déjà adoptée pour la conception de l’amplificateur du LMJ, recalée sur les différentes configurations expérimentales étudiées (démarche « simulation ») dans le cadre de LEAP, constituera un élément fédérateur pour les études et les équipes impliquées et pourra offrir à terme un appui intéressant pour la conception de lasers industriels (« le laser par CAO »).

Axe A

 

Développement du pompage par diodes de matériaux dopés à l’ytterbium (Yb) (pilotage CELIA). L’objectif de cet axe est d’atteindre une puissance moyenne de 1 kW à l’horizon 2020, puis de plusieurs kW à l'échelle de la fin du projet. Cela se fera en augmentant soit la cadence, soit l'énergie par impulsion.

 

On utilisera le pompage par diodes, indispensable à récurrence élevée, et l’ion ytterbium, qui est compatible avec l’amplification d’impulsions courtes à énergie élevée et pour lequel il existe des cristaux et des céramiques en grandes dimensions tels les grenats (YAG) ou depuis plus récemment le fluorure de calcium (CaF2). Des approches complémentaires seront suivies pour atteindre le kilowatt moyen, avec le développement d’un ensemble cohérent de briques technologiques : amplification sous très forte charge thermique, contrôle et développement des milieux à gain micro-structurés, contrôle de la bande spectrale pour la recompression, composants clés permettant le routage optique d'impulsions de forte énergie.

Axe A

Matériaux yb
pompage diode
1 kHz - 1J

CELIA

Axe b

 

Des travaux prospectifs sur le développement du pompage par diodes sur matériau dopé au néodyme (Nd) (pilotage CESTA). L’objectif de cet axe prospectif est d’explorer la possibilité de disposer de nouveaux pilotes très performants pour les grandes installations lasers (simplification architecture des lasers, gain en performances par suppression d’effets parasites, en fiabilité et en facilité d’exploitation). Un démonstrateur de pilote 2 J/10 Hz à l’horizon 2020 compatible des performances de lasers du type LMJ et PETAL est visé. On utilisa le pompage diodes, indispensables pour de telles récurrences, et le néodyme dans une matrice cristalline de CaF2 pour bénéficier à la fois de propriétés thermiques favorables et de la possibilité d’amplifier des impulsions relativement courtes à la longueur d’onde des lasers de puissance actuels (1053 nm).

Axe B

Matériaux Nd
Pompage diode
10 Hz - 2J

CESTA

Axe C

 

Développement du pompage flash en cadence sur verres dopés au néodyme (Nd) (pilotage CESTA). En effet, à cause du prix à la fois des diodes et des matériaux amplificateurs, c’est la technologie d’amplificateurs en verres dopés Nd, pompés par lampes flash, qui constitue encore pour longtemps la meilleure base de solution pour les lasers de très haute énergie. Cependant la faible conductivité thermique des verres limite fortement les cadences, typiquement un tir toutes les quelques heures. Mais, la tendance à l’échelle mondiale est ainsi d’augmenter la cadence. Ainsi l’axe C a pour objet de déterminer les limites en récurrence de la technologie actuelle en y ajoutant un refroidissement actif.

Axe C

Matériaux Nd
pompage flash
1 kJ - 1 tir/min

CESTA

Axe D

 

L’axe D n’est pas un axe technologique. Il a pour objet le rehaussement du laser ECLIPSE du CELIA, directement utilisé dans le projet XPulse, sur la base d’une « pompe » à 2 J et d’une voie sonde à 300 mJ, sub-30 femtosecondes, ainsi que des travaux liés à la radioprotection.

Axe D

Upgrade Eclipse
Radioprotection
1,5 J - 1 Hz

CELIA