La chaîne laser

Schéma d'une chaîne laser. © CEA

Une chaîne laser se compose de trois éléments :

• Le pilote
• La section amplificatrice
• La fin de chaîne

Le pilote

Le pilote délivre l'impulsion lumineuse initiale qui sera amplifiée dans la chaîne. Il a pour rôle de générer le faisceau, de lui donner sa forme temporelle et spatiale ainsi que son spectre et de permettre la synchronisation de tous les faisceaux. A la sortie du pilote le faisceau laser a une section carrée de 40 mm de côté, son énergie est faible (de l’ordre du joule) et sa durée brève (quelques milliardièmes de seconde).

Le pilote comprend :

• Quatre sources (une par hall laser), ensembles opto-électroniques qui délivrent les premiers photons (quelques milliardièmes de joule) ;
• Cent vingt modules préamplificateurs (MPA, 1 pour 2 faisceaux), qui portent l'énergie du faisceau de quelques milliardièmes de joule à 1 joule.

La section amplificatrice

L’impulsion initiale sortie du pilote doit être fortement amplifiée dans le LMJ, afin d’obtenir l’énergie nécessaire aux expériences (de l’ordre de 20 000 fois). C’est le rôle de la chaîne amplificatrice, également appelée section amplificatrice ou chaîne de puissance.
Le LMJ est dimensionné pour accueillir 240 faisceaux groupés en 30 chaînes de 8 faisceaux. Ils prendront place dans quatre halls lasers disposés de part et d’autre du hall d’expériences.

Afin d’acquérir son énergie, le faisceau parcourt quatre fois la chaîne amplificatrice. Ce principe a pour avantage d'extraire le maximum d'énergie des amplificateurs et de réduire les dimensions de la section amplificatrice.

Schématiquement les blocs amplificateurs sont composés de :

• Plaques de verre laser dopées au néodyme ; le néodyme donne au verre sa couleur rose.

Montage des plaques amplificatrices dopées au néodyme. © CEA
• Lampes flashs au xénon qui apportent l’énergie lumineuse. Leur rôle : convertir l’énergie électrique délivrée par des condensateurs en rayonnement destiné au pompage optique des verres lasers.

Traitement optique des composants du LMJ par le procédé sol-gel. © CEA

Les poussières présentes à la surface des composants optiques peuvent être une cause d’endommagement sous l’effet du flux laser. Comme dans l'industrie micro-électronique, il est nécessaire de maintenir une ambiance propre que l’on évalue par le nombre de particules supérieures à 5 microns dans un volume d’air d’un pied cube (cube de 30,48 cm de côté).
Le LMJ comprendra des salles blanches allant de la classe 100 (Iso 5) à la classe 100 000 (Iso 8). Le tiers du bâtiment est consacré aux équipements de climatisation et de traitement d’air.

La fin de chaîne

Les faisceaux issus des sections amplificatrices sont transportés sur plus de 40 mètres vers la salle d’expériences. Le faisceau est dévié par un jeu de six miroirs successifs qui permettent de passer d'une configuration de faisceaux parallèles dans les halls laser à des faisceaux convergeant sur la chambre d'expérience.
Chaque faisceau arrive à un système de conversion de fréquence et de focalisation (SCF). A l’intérieur du SCF, la fréquence du faisceau passe de l’infrarouge à l’ultraviolet.

Cette division de la longueur d’onde (la longueur d’onde est inversement proportionnelle à la fréquence) est obtenue à l’intérieur du SCF grâce au passage dans deux plaques d'un matériau bien particulier : les cristaux de KDP (dihydrogéno phosphate de potassium). Ces plaques sont taillées dans des cristaux de taille importante pesant environ 450 kg. Ce sont, à ce jour, les seuls cristaux autorisant la découpe en lames de 40 cm de côté et possédant des propriétés non-linéaires adaptées à la conversion de fréquence.

Après la conversion de leur fréquence, les faisceaux sont focalisés au centre de la chambre d’expériences.

Le KDP, un monocristal hors du commun utilisé pour la conversion de puissance. © CEA

Pour en savoir plus :

• Voir le trajet du faisceau depuis son amplification jusqu’à sa focalisation sur la cible - Vidéo
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