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Apollon 10 PW, le laser extrême de Saclay

Publié le

Enquête Deuxième volet de notre série : l'Institut de la lumière extrême. Chef de file d'un réseau de labos, il pilote la mise au point d'un laser hyperpuissant.

Apollon 10 PW, le laser extrême de Saclay
En attendant le laser Apollon 10 PW, le laboratoire ILE a construit le laser de 0,5 PW Luire.
© CNRS Photothèque/Cyril Frésillon

L'immense salle souterraine ceinte de murs de béton de 5 mètres d'épaisseur est vide et désaffectée. Plus pour longtemps. Nous sommes dans le sous-sol du site de L'Orme des merisiers, au CEA de Saclay, en région parisienne. Les 5 000 m2 de ces anciennes infrastructures d'un accélérateur de particules vont accueillir ce qui sera l'un des lasers les plus puissants du monde. En soumettant la matière à ce faisceau ultra-puissant (10 Petawatts), les chercheurs pourront engendrer des particules et rayons X qui serviront à des études de physique de chimie et de biologie.l Les retombées envisagées concernent la médecine (thérapie du cancer) et le contrôle non destructif des matériaux.

Apollon 10 PW, c'est le nom du laser, est conçu et réalisé par l'ILE, l'Institut de la lumière extrême. Un laboratoire qui n'a pas volé son nom, car tout est hors norme dans le projet. Le laser, bien sûr, qui délivrera des impulsions ultracourtes (15 femtosecondes, ou fs) porteuses d'une énergie de 150 joules. Et qui atteindra donc une puissance crête de 10 Petawatts (10 15 W), dix fois plus que les équipements actuels. Ces performances permettront d'explorer les propriétés de la matière dans des conditions jamais atteintes et qui exigent la mise au point de technologies (lasers de pompe, cristaux, composants optiques...) en grande partie inédites. L'organisation du projet sort elle aussi de l'ordinaire : l'ILE est un institut « éclaté » entre plusieurs laboratoires du plateau de Saclay qui apportent chacun leurs compétences.

LE LABO EN CHIFFRES

Brevets 6 sont en cours de dépôt dans le cadre du projet Apollon 10 PW, qui s'appuie aussi sur des brevets déposés par les laboratoires participants.
Budget 50 millions d'euros, pour les équipements et la construction du laser Apollon 10 PW.
Effectif 35 chercheurs, ingénieurs et techniciens pour la construction d'Apollon 10 PW ; 20 à 25 personnes seront chargées de son exploitation.

À l'origine d'Apollon 10 PW, on trouve Gérard Mourou, chercheur reconnu internationalement dans le domaine des lasers et actuel directeur de l'ILE. Après une carrière aux États-Unis, il est revenu en France où il met ses compétences et son carnet d'adresses au service d'Apollon 10 PW, mais aussi du très ambitieux projet européen ELI (voir encadré, page suivante). À ses côtés, Jean-Paul Chambaret, directeur adjoint, autre spécialiste de longue date des lasers. Deux fortes personnalités qui ne sont pas de trop pour fédérer les efforts entourant le futur laser 10 PW. « Il n'est pas toujours facile pour les différents laboratoires de s'intégrer au fonctionnement d'un grand projet et, donc, d'accepter de perdre une partie de leur autonomie », reconnaît Jean-Paul Chambaret.

LES CLÉS DU SUCCÈS

ILE s'appuie sur plusieurs équipes en pointe sur les lasers de fortes puissances et à impulsions ultra-courtes.
Une première étape, le laser Luire (0,5 PW), permet de valider des choix technologiques.
Un site souterrain de grande taille, à l'abri des vibrations, accueillera le futur laser Apollon 10 PW.

Une salle réservée de 700 mètres carrés

On imagine sans peine les inévitables rivalités entre responsables de laboratoires soucieux de défendre leur pré carré. À l'étage hiérarchique au-dessous, en revanche, tout semble se dérouler plutôt bien, si l'on en juge par la coopération étroite instaurée entre les « opérationnels » du projet. Depuis cinq ans, Catherine Leblanc, à l'École polytechnique, Gilles Chériaux, à l'Ensta et Patrick Georges, à l'Institut d'optique, ont appris à travailler ensemble. « C'est la première fois que nous sommes associés sur un projet de cette taille et sur une aussi longue durée », soulignent les trois chercheurs.

Si la collaboration fonctionne si bien, c'est aussi parce que les tâches ont été clairement réparties dès que l'architecture du futur laser a été définie. Chaque équipe est chargée d'une partie de la chaîne d'amplification du laser. L'Institut d'optique réalise le premier maillon, le « pilote », qui produit des impulsions très courtes (moins de 10 fs) mais de faible énergie. Ce faisceau sera réinjecté dans les étages d'amplification, confiés à l'Ensta. Et c'est le laboratoire Luli de l'X, un spécialiste des lasers de très haute énergie, qui se charge de la phase finale de compression permettant d'obtenir les 10 PW.

La construction de l'instrument a démarré : le premier étage du laser (le pilote) occupe presque entièrement une salle d'expérience de l'Institut d'optique. Une table antivibrations d'une dizaine de mètres y est couverte d'équipements laser du commerce et de montages de composants optiques réalisés au laboratoire. « Ce que l'on développe ici, c'est l'instrument à échelle 1 », précise Patrick Georges. Une fois assemblé dans les profondeurs du plateau de Saclay, le laser Apollon 10 PW trônera dans une salle de 700 m2. Auxquels s'ajouteront 1 000 m2 de salles d'expériences et des locaux techniques. Heureusement, tout n'est pas à réinventer. Les chercheurs peuvent ainsi tirer parti de Luire, un laser de 0,5 PW en cours de démarrage à l'Ensta. Le principe d'amplification d'Apollon est le même que dans Luire. « Mais le niveau d'énergie sera bien plus élevé, ce qui pose de nouveaux problèmes », ajoute aussitôt Gilles Chériaux.

Pour chaque composant hors norme, les responsables de l'ILE sont partis à la recherche des rares industriels potentiellement capables de le fabriquer et de relever le défi. « Nous mettons en place une démarche de valorisation. Nous avons en France un tissu d'une vingtaine de PME de très bon niveau capables de fournir des optiques, cristaux et composants utilisés dans les lasers de forte puissance », explique Jean-Paul Chambaret, qui planche sur ce point avec Matthieu Somekh, de la direction industrielle de l'École polytechnique. L'idée est que les développements « extrêmes » demandés aux industriels pour cet instrument unique puissent trouver des débouchés dans des lasers de plus faible puissance commercialisables en série.

Pour réaliser les lasers de pompe, les Thales, Quantel, Continuum... sont en lice. Le matériau amplificateur d'Apollon est connu, un monocristal de saphir dopé au titane, mais nul ne sait encore le produire de manière fiable en 20 cm de diamètre (Luire se contente de 10 cm). Les chercheurs de l'ILE y travaillent avec RSA Le Rubis, une PME de l'Isère. Quant aux réseaux de diffraction, qui recompresseront l'onde du laser, ce seront des composants optiques de... 120 kg (et de 1 m sur 50 cm), qu'il faudra changer régulièrement. « Ce type de réseaux est fabriqué au Laurence Livermore National Laboratory, aux États-Unis, qui en produit pour son propre laser. S'ils décidaient d'arrêter... », s'inquiète Catherine Leblanc. Des développements sont donc menés avec un autre américain, Plymouth Grating Lab et, en France, avec Horiba Jobin Yvon (qui doit s'installer à Saclay).

Un tir par minute

Apollon 10 PW sera mis à la disposition des physiciens pour effectuer un tir par minute. « Nous devons prendre en compte des contraintes de robustesse et de fiabilité, et il faut être capable de gérer le fonctionnement de l'installation », insiste Gilles Chériaux. C'est nouveau pour des chercheurs jusqu'alors pas vraiment préoccupés par la maintenance préventive ou la traçabilité des expériences... Une dimension supplémentaire dans un projet complexe où tout doit avancer en même temps. Y compris l'aménagement du site d'accueil. À l'Orme des merisiers, les travaux doivent commencer cet été et s'achever, pour recevoir les premiers éléments du laser, fin 2012. Objectif : premier tir en 2013.

LE PROJET À SUIVRE

UN AMPLIFICATEUR DE LASER TRICOLORE

Le laser Apollon 10 PW exige un monocristal de saphir dopé au titane (TiSa) de 200 mm de diamètre pour son amplification. Seul l'américain Crystal Systems serait aujourd'hui en mesure de le fabriquer. Un monopole dangereux aux yeux des responsables du laboratoire ILE, qui a financé la recherche sur un autre procédé chez la PME française RSA Le Rubis. Des résultats prometteurs - le procédé est 5 fois plus rapide - ont été obtenus sur des cristaux de TiSa de 100 mm. Mais la construction de la machine pour produire en 200 mm est en panne de financement. ILE tente, avec les industriels français, d'obtenir les 1 à 2 millions d'euros nécessaires auprès du ministère de l'Industrie.

LES PROJETS PARALLELES

VULCAN 10 PW GRANDE-BRETAGNE Le centre laser du Rutherford Appleton Laboratory (Grande-Bretagne) va faire passer de 1 à 10 PW la puissance de son laser Vulcan. La deuxième phase, lancée en avril 2010 (six ans de durée, budget de 28 millions d'euros), met au point les étages d'amplification et de compression ainsi que les équipements d'expérimentation et l'infrastructure.

PETAL FRANCE Petawatt Aquitaine laser (Petal) délivrera 7 PW. Sa puissance servira à la recherche sur la fusion nucléaire (civil) par laser, à la physique de l'extrême et à l'astrophysique. Le projet est couplé au Laser Mégajoule, destiné à simuler des tests d'armes nucléaires (à partir de 2015), qui délivrera une puissance de plusieurs centaines de Terawatts sur des cibles de 2 mm de diamètre.

ELI EUROPE Quarante institutions de 13 pays européens participent au projet ELI (Extreme light infrastructure), dont ILE est la contribution française. Trois sites ont été retenus (Hongrie, Roumanie, République tchèque) pour recevoir des lasers de 10 PW. Un quatrième, désigné en 2012, accueillera un laser de 200 PW. Le budget global est de 700 millions d'euros.

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