Détail du poste
Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire Charles Fabry Direction de la thèse : François BALEMBOIS ORCID 0000000340987105 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 L'accélération laser-plasma permet de produire des faisceaux de particules très énergétiques sur des distances extrêmement courtes, bien plus petites que celles des accélérateurs conventionnels. Elle ouvre ainsi la voie à des accélérateurs plus compacts, moins coûteux et potentiellement utilisables dans le domaine médical et dans l'industrie avec le contrôle non destructif par rayons X ou la génération de neutrons. La source laser est l'élément décisif qui donnera à l'accélération laser-plasma de réelles perspectives applicatives.
Le Laboratoire Charles Fabry (LCF) propose une architecture laser totalement originale, basée sur des cristaux d'alexandrite pompés par LED via des concentrateurs luminescents. L'alexandrite est accordable dans l'infrarouge proche (700-800 nm), idéal pour amplifier des impulsions de durée inférieure à 100 fs. De plus il a des propriétés mécaniques, spectroscopiques et thermiques exceptionnelles pour un milieu laser. Utilisé depuis longtemps dans les lasers médicaux, l'alexandrite a un fort potentiel de développement industriel. De plus, le pompage par LED combine les avantages des autres types de pompage, sans les inconvénients : robuste, simple et de faible coût, comme les lampes flash ; efficace, stable et de très longue durée de vie comme les diodes laser. Ainsi l'alexandrite pompé par LED bleues a des atouts majeurs pour réaliser une chaîne laser femtoseconde à vocation industrielle. Les premières preuves de concept sont en cours, avec des performances visées à 10 mJ, 100 fs 100 Hz, soit une puissance moyenne de 1 W (projet TERALEDx).
Pour que l'accélération laser plasma passe dans le domaine des applications, il faut cependant aller beaucoup plus loin en puissance moyenne et en énergie. En effet, la montée en cadence (à 1kHz) permettra une acquisition plus rapide des signaux produits par les sources secondaires (électron, neutrons, rayons X). L'idéal serait d'augmenter la puissance moyenne d'un facteur 1000. De plus, la montée en énergie permettra de faire des spots d'éclairement plus grands, réduisant le temps pour scanner un objet. L'ambition serait de disposer d'une énergie laser de plusieurs centaines de mJ, soit plus d'un ordre de grandeur par rapport au système en cours de développement.
Nous pensons que les LED couplées à des concentrateurs luminescents permettront de répondre à ces montées en performance très ambitieuses. En effet, les LEDs bénéficient d'un coût très faible grâce à la production de masse du marché de l'éclairage. De plus, les concentrateurs luminescents permettent de collecter la puissance des LEDs sur de très grandes surfaces et de restituer une lumière jaune de forte densité (qq kW/cm2) adaptée au pompage de l'alexandrite sur une surface 100 à 1000 fois plus petite. La surface extérieure du milieu laser n'est donc plus une limite à la puissance de pompe, comme c'est le cas pour les diodes laser ou les flashs. Le pompage d'un concentrateur sur ses deux grandes faces et l'étagement des concentrateurs les uns au dessus des autres permet une augmentation considérable de la puissance de pompe utilisable. Cette architecture facilite aussi le refroidissement car la densité de pompage au niveau des concentrateurs reste limitée à une centaine de W/cm2.
Le sujet de thèse explorera cette voie très novatrice en poussant le concept à ses limites. Son objectif sera de développer des amplificateurs alexandrite pompés par LED selon deux axes différents : la montée en puissance moyenne et la montée en énergie.
Ce travail sera fait en collaboration avec le Laboratoire d'Optique Appliquée (ENSTA-Ecole Polytechnique) qui est expert dans le domaine de l'accélération laser plasma, avec la société SourceLAB qui commercialise des sources de particules par accélération laser-plasma à visée industrielle.
Les sources laser les plus utilisées dans les accélérateurs laser-plasma sont les chaînes Ti:saphir pompées par des lasers Nd doublés en fréquence et, eux-mêmes, pompés par flash [1, 2]. L'énergie en sortie est au niveau du joule par impulsion. Ces sources sont peu efficaces, fonctionnent à des cadences faibles (Hz) et posent des problèmes de stabilité.
Dans la logique d'une montée en cadence, des chaines Ti:saphir kHz d'énergie plus faible (quelques mJ) peuvent être utilisées, moyennant une post-compression pour atteindre le bon régime de fonctionnement. Cette stratégie a été adoptée par deux groupes de recherche dans le monde [3, 4]. Dans les deux cas, la post-compression est réalisée dans une fibre creuse remplie de gaz.
Dans les évolutions en cours, les architectures des chaînes laser restent basées sur la technologie du Ti:saphir mais remplacent les flashs par des diodes laser pour le pompage. Ceci permet la montée en cadence indispensable pour les applications. On peut citer le projet KALDERA de DESY en Allemagne (3 J, 30 fs, 1 kHz) [5], le projet européen EUPRAXIA (100 J, 100 fs, 100 Hz) [6] ou le projet L3-HAPLS (30 J, 30 fs, 10 Hz) [7] qui fonctionne déjà à performances réduites. On peut citer aussi le projet LAPLACE (Institut Polytechnique de Paris, LOA, THALES) qui vise le développement une chaine laser Ti:saphir (100 Hz, 200 mJ, 20 fs) sans post-compression.
Au-delà du saphir dopé au titane, les laboratoires de recherche dans le monde explorent les possibilités du pompage direct par diode laser avec deux grandes familles de matériaux : les matériaux dopés à l'ytterbium (Yb) et dopés au thulium (Tm).
Dans le cas de l'Yb, le pompage est réalisé par des diodes laser de puissance à 940 nm ou 976 nm. Les matériaux dopés Yb peuvent être sous la forme de fibres, de cristaux massifs ou de disques minces. Les sources réalisées ont souvent donné lieu à des produits industriels, preuve de la pertinence de la technologie Yb. Les cristaux d'Yb:YAG sont les plus utilisés au niveau industriel. Cependant, dans la perspective de l'accélération laser plasma, ces sources ont l'inconvénient de produire des durées de plusieurs centaines de femtosecondes. Pour atteindre les bons paramètres énergie-durée, il est nécessaire d'effectuer une post-compression avec un grand facteur de compression [8, 9]. Ceci a tendance à dégrader la qualité spatio-temporelle des impulsions post-comprimées [10] et cela oblige à mettre deux cellules de post-compression l'une à la suite de l'autre. Une possibilité de contournement de ce problème existe en faisant de l'accélération d'électrons par une rafale d'impulsions multiples très courtes générées dans un plasma à partir d'une impulsion plus longue [11]. Cette solution reste pour le moment au niveau de la preuve de concept.
Le cas des matériaux dopés Tm (Tm:YAG, Tm:YLF, TmLu2O3) est intéressant car la bande spectrale est assez large pour amplifier des impulsions inférieures à 50 fs avec un spectre vers 2 µm. Le pompage est réalisé vers 800 nm. Le pompage par relaxation croisée permet d'augmenter le rendement de conversion au-delà du rendement quantique. Le rendement reste cependant plus faible que pour la technologie Yb. Les fibres dopées Tm sont assez développées au niveau des sources femtoseconde. Cependant, les énergies visées (largement supérieures au mJ) ne sont pas compatibles avec les fibres optiques du fait d'effets non linéaires délétères. Une option avec des cristaux massifs dopés Tm est à l'étude dans quelques laboratoires [12, 13] mais elle est globalement assez peu développée.
Ce tour d'horizon sur l'état de l'art des sources laser pour l'accélération laser-plasma fait ressortir les points suivants :
- dans quasiment tous les cas, les projets visent des sources de forte énergie (J) et de forte cadence, dans une logique qui reste celle des grandes installations.
- une architecture utilisant une 'faible' énergie (mJ) et de durée très brève (- tous les acteurs s'accordent à penser que le Ti:saphir n'est pas la solution à long terme. Son pompage par diode indirect (via les lasers dopés Nd) n'est qu'une solution de moyen terme posant beaucoup de problèmes au niveau de la compacité, de l'efficacité et du coût et donc de l'industrialisation.
- les recherches d'alternatives de milieux amplificateurs directement pompés par diode pour des systèmes laser d'impulsions énergétiques et ultra-brèves sont en cours mais aucune n'a vraiment percé pour le moment.
- aucune des solutions ne propose d'explorer le pompage par LED à la place du pompage par diode.
L'état de l'art montre donc que le champ est très ouvert pour de nouvelles sources laser. L'alexandrite pompé par LED via concentrateur luminescent offre une nouvelle solution avec la production d'impulsions de durée inférieure à 100 fs, facilitant grandement les opérations de post-compression.
Le projet de thèse à deux objectifs :
- développer des amplificateurs alexandrite pompés par LED de forte puissance moyenne, typiquement > 100 W, dans la perspective d'atteindre 1 kW.
- développer des amplificateurs alexandrite pompés par LED de forte énergie, typiquement > 100 mJ à une cadence de l'ordre de 50-100 Hz.
Ces amplificateurs seront injectés dans un premier temps par des impulsions nanosecondes. Puis, ils seront insérés dans une chaine femtoseconde alexandrite à la suite des premiers amplificateurs en cours de développement.
En fonction des avancées du projet, ces amplificateurs pourront être installés au LOA et utilisés concrètement dans une chaine femtoseconde servant à l'accélération laser plasma.
Le travail de la thèse est centré sur les amplificateurs alexandrite pompés par LED. La thèse s'appuie sur l'expérience du LCF dans le domaine du pompage par LED de lasers [14-16], dont l'alexandrite [17].
La thèse sera développée selon deux axes.
Axe 1 : Montée en cadence :
Afin de remplir le niveau excité de l'alexandrite avant chaque impulsion laser à amplifier, la durée de pompage doit être supérieure à la durée du temps de vie du niveau excité (idéalement 3 fois). Dans le cas de l'alexandrite, la durée de vie est de 260 µs, ce qui veut dire que chaque séquence de pompage doit durer idéalement 780 µs. Au delà de 1,3 kHz, les créneaux de pompage seront donc consécutifs et le pompage sera nécessairement continu.
Par rapport au régime de fonctionnement des amplificateurs en cours de développement pour TERALEDx (cadence maximale 100 Hz, rapport cyclique 4 %), il s'agit d'un véritable challenge. En pompage continu, la charge thermique sera donc 25 fois plus importante pour la même puissance crête de pompage. La puissance de pompe reçue par les concentrateurs luminescents sera de plus de 2 kW. Ceci est problématique car les concentrateurs ne peuvent pas être refroidis par contact à cause de la frustration de la réflexion totale interne guidant la lumière produite jusqu'à leur face de sortie. Le LCF propose une solution innovante de refroidissement par immersion dans un liquide isolant électriquement, solution qui a fait l'objet d'un dépôt de brevet [18]. Ce liquide conduit bien mieux la chaleur que l'air. Il permet donc d'évacuer la chaleur qui s'accumule dans le concentrateur du fait du pompage. Il permet aussi de réduire la température de fonctionnement des LEDs. Des preuves de concept probantes ont été déjà réalisées. Le projet sera l'occasion d'une mise à l'échelle de cette solution innovante.
Une fois que la tête de pompage sera développée, elle sera testée sur la chaîne laser TERALEDx, en substitution d'une tête de pompage fonctionnant à 100 Hz. L'enjeu sera de valider les performances d'une chaîne laser donnant une puissance moyenne dix fois plus importante.
Axe 2 : Montée en énergie :
L'objectif de la montée en énergie est de gagner un ordre de grandeur sur l'énergie en sortie (passage de 10 mJ à plus de 100 mJ). La montée en énergie est liée à plusieurs facteurs :
- l'énergie stockée en quantité suffisante dans le milieu amplificateur. En supposant un rendement de l'ordre de 10 %, il faut stocker une énergie de l'ordre du joule, soit 5 fois plus que dans la tête de pompage présentée précédemment.
- le seuil de dommage optique qui impose un diamètre minimal au faisceau signal. De façon conservative, il ne faut pas dépasser une densité d'énergie de 1 J/cm2 afin d'éviter l'endommagement optique des surfaces de l'amplificateur alexandrite. Pour gagner un ordre de grandeur en énergie, il est nécessaire de travailler avec des faisceaux dont le diamètre est supérieur à 4 mm. Ceci oblige à utiliser un cristal d'alexandrite d'un cm de diamètre dans lequel il faut assurer un gain suffisant via le pompage.
- les effets non linéaires dans le milieu amplificateur. Avec une durée des impulsions à amplifier de l'ordre de 1 ns (en sortie d'étireur), l'énergie de 100 mJ indique que la puissance crête atteindra 100 MW en sortie d'amplificateur et une densité de puissance crête de l'ordre du GW/cm2. A ce niveau, le champ optique induit des effets non linéaires dans la matière : l'indice optique de l'alexandrite se modifie au passage de l'impulsion laser. Ceci induit des perturbations sur la phase du faisceau qui peuvent gêner la bonne recompression des impulsions. Pour limiter cet effet, il faut réduire au maximum l'épaisseur d'alexandrite traversée. Il faut donc que le gain par passage soit le plus grand possible.
Ces trois facteurs indiquent qu'il faut augmenter la puissance de pompe (pour l'énergie stockée) et maintenir une forte densité de pompage malgré l'augmentation de la taille du faisceau signal. Grâce aux LED, il est possible de réaliser cette montée en puissance à un coût maitrisé. La tête de pompage utilisera plus de 14000 LEDs sur 6 concentrateurs (alors que la précédente n'en avait que 2). Dans cette tête la cadence est maintenue à 100 Hz, ce qui permet aux concentrateurs d'être refroidis par air et non par huile. Ceci permet une utilisation des LEDs en régime quasi-continu, avec une puissance par LED de 4 W (comme dans la tête de pompage actuelle). Dans ce cas, l'énergie stockée dans le cristal atteint 3,5 J.
La puissance moyenne de pompage atteint 3 kW, ce niveau important nécessite un excellent refroidissement de l'alexandrite. Des simulations thermiques permettront d'estimer la hausse de température dans le cristal. Il faut rappeler que l'alexandrite peut fonctionner efficacement à plus de 200°C.
L'architecture choisie sera un amplificateur multipassage géométrique installé à la suite d'un amplificateur régénératif pour faire passer l'énergie de 10 mJ à une énergie de 100 mJ en 5 passages dans le module.
Le profil recherché
Publiée le 28/04/2026 - Réf : e7cdb9499065d4772f30b53565ecc72d
