Amplification par dérive de fréquence

L'amplification à dérive de fréquence (CPA en anglais, pour Chirped pulse amplification, chirp désignant le gazouillis d'oiseau, ce terme faisant l'analogie au chant de certains oiseaux qui font varier la fréquence de leur chant) est une technique d'amplification des impulsions laser ultracourtes jusqu'à des niveaux de puissance de l'ordre du pétawatt. Elle consiste à rallonger temporellement l'impulsion laser en étalant ses différentes composantes spectrales avant la phase d'amplification[1]. C'est actuellement la technique qui permet de générer les plus hautes puissances laser, avec certaines chaînes laser qui atteignent des puissances crêtes supérieures au pétawatt. Même si ces lasers sont principalement utilisés dans des laboratoires de recherches, un certain nombre de fabricants proposent déjà des laser femtoseconde basés sur la technologie CPA et les cristaux de Titane:saphir avec des puissances crête allant du mégawatt au pétawatt (10¹⁵ W).

Photographie d'un laser femtoseconde à amplification par dérive de fréquence (Laboratoire d'optique Appliquée).

L'amplification par dérive de fréquence a été initialement présentée comme une technique augmentant la puissance disponible dans le domaine du radar dans les années 1960[2]. Elle a été transposée aux lasers ultracourts par Gérard Mourou et Donna Strickland à l' Université de Rochester, dans le milieu des années 1980 [3]. Les deux chercheurs seront récompensés par le prix Nobel de physique en 2018 pour ces travaux[4]. Auparavant, la puissance crête des lasers impulsionnels était limitée à des intensités de quelques gigawatts/cm² en raison du seuil de dommage des matériaux amplificateurs et du phénomène d'autofocalisation. Par exemple, certains des plus puissants faisceaux laser CPA peuvent dépasser des intensités de 700 gigawatts/cm² en sortie de compresseur. Si on laisse un tel faisceau se propager dans l'air ou dans un milieu amplificateur, le faisceau s'auto-focalisera pour former un plasma par filamentation laser ce qui endommagerait les optiques et dégraderait la qualité du faisceau. Avant l'apparition de la technique CPA, afin de maintenir l'intensité des impulsions laser en dessous du seuil des effets non linéaires, les systèmes laser devaient être de grande dimension et coûteux, et la puissance crête des impulsions était limitée au gigawatt ou au térawatt pour les très grandes installations multi-faisceaux.