Les lasers géants bientôt miniaturisés grâce à une percée américaine.
Une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) vient de parvenir à un petit exploit qui va marquer l’histoire du laser avec une miniaturisation jamais atteinte. Leur secret ? Un accélérateur plasma-laser compact (en anglais Laser Plasma Accelerators ou LPA) capable d’accélérer les électrons 1 000 fois plus vite qu’un accélérateur traditionnel, ce qui permettrait de créer des systèmes compacts qui tiennent dans un laboratoire au lieu de bunker géant de plusieurs kilomètres.
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Un laser 1000x plus de puissant pour une taille équivalente avec cette découverte américaine
Traditionnellement, les accélérateurs linéaires utilisent des champs radio-fréquence pour atteindre environ 50 méga-volts par mètre. Avec cette nouvelle technologie, ce sont 100 gigavolts par mètre, soit mille fois plus de gradient. Autrement dit, ce qui exigeait un kilomètre de machine pourrait se faire en quelques mètres !
Un faisceau d’électrons stable et fiable, condition sine qua non du laser à électrons libres (XFEL)
Un laser à électrons libres (en anglais X-ray free-electron laser ou XFEL) exige un faisceau d’électrons non seulement très énergique, mais aussi parfaitement régulier. Les chercheurs ont constaté une croissance exponentielle de la radiation XFEL sur plusieurs tentatives, avec une fiabilité exceptionnelle sur des dizaines d’expériences successives. C’est la preuve que le faisceau plasma peut remplir ce rôle, de façon répétable et rigoureuse.
Une alliance stratégique avec TAU Systems Inc et le BELLA Center
L’expérimentation a eu lieu au BELLA Center, où le laser Petawatt crée une onde plasma dans le gaz, puis les électrons « surfent » dessus. L’innovation vient surtout de la collaboration avec TAU Systems Inc. (rqui a récemment annoncé une collaboration avec Thales), qui a permis de coupler ce faisceau plasma aux undulateurs magnétiques générant les rayons X. Et là encore, les premiers résultats sont prometteurs : l’amplification du signal photonique atteint de deux à trois ordres de grandeur, ce qui est énorme pour un prototype aussi compact.
Pourquoi c’est une révolution pour la recherche et l’industrie
Car un XFEL compact, abordable, modulable, ça change la donne. Il devient possible :
- d’imager des protéines complexes directement sur site, dans les universités ou les hôpitaux,
- de scruter les nanostructures des matériaux pour l’industrie high-tech,
- voire d’améliorer la photolithographie des puces électroniques.
Et si le LPA fonctionne, il peut aussi renforcer les installations XFEL existantes en prolongement, ouvrant la voie à des usages plus polyvalents.
Les prochaines étapes
Reste un défi : augmenter la fréquence des tirs d’électrons. Aujourd’hui, la plupart des prototypes ne fonctionnent qu’à quelques dizaines ou centaines de tirs par seconde, pas suffisant pour des applications industrielles. Mais selon certains laboratoires européens comme DESY, on vise déjà 100 à 1 000 impulsions par seconde, ce qui rendrait la technologie viable pour un cycle régulier de recherche ou production.
En bref : l’accélérateur sur table devient plausible
- Capacité d’accélération : jusqu’à 100 000 MV/m, contre 50 MV/m auparavant,
- Dimension : réduite de kilomètres à quelques mètres,
- Performance XFEL : amplification exponentielle sur plus de 2 à 3 ordres de grandeur,
- Fiabilité : excellente stabilité sur des dizaines de campagnes d’expérimentation.
Cette avancée n’est pas simplement une innovation technique. C’est la promesse d’un futur où les lasers à électrons libres ne seront plus confinés à quelques gigantesques labos. Ils pourront être transportés, modulés, utilisés sur site, en médecine, en recherche ou en industrie. Un pas vers des infrastructures plus légères, plus accessibles, et tout simplement plus malines.
Source :
Greater than 1000-fold Gain in a Free-Electron Laser Driven by a Laser-Plasma Accelerator with High Reliability (en français : “Gain supérieur à un facteur 1000 dans un laser à électrons libres alimenté par un accélérateur plasma laser avec une grande fiabilité”)
S. K. Barber1, F. Kohrell C. E. Doss, K. Jensen, C. Berger, F. Isono1,3, Z. Eisentraut1, S. Schröder, A. J. Gonsalves
Phys. Rev. Lett. 135, 055001 – Publié le 29 juillet 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/vh62-gz1p
Image : Jeroen van Tilborg, Sam Barber et Carl Schroeder se penchent au-dessus des aimants de la chicane qui relient l’accélérateur plasma laser (derrière eux) à l’ondulateur situé en aval. Le décalage du faisceau d’électrons dans la chicane permet de bloquer la lumière résiduelle du laser, tout en séparant dans le temps les électrons selon leur énergie, ce qui réduit la dispersion énergétique des paquets d’électrons. (Crédit : Thor Swift/Berkeley Lab)
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