Une étude du LLNL aux États-Unis révèle un nouveau mécanisme des effets de polarisation laser dans les expériences de fusion par confinement inertiel sur le NIF

Des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL) ont récemment découvert, dans le cadre d'études liées au National Ignition Facility (NIF), que l'état de polarisation laser pourrait influencer le processus de transfert d'énergie entre faisceaux croisés (CBET) dans les expériences de fusion par confinement inertiel, et contribuer à réduire la rétrodiffusion ainsi que les risques d'endommagement des composants optiques. L'article associé, intitulé « Effets de la polarisation laser sur le transfert d'énergie entre faisceaux croisés dans la fusion par confinement inertiel », a récemment été publié comme article vedette dans la revue Physics of Plasmas.

Les expériences sur le NIF exigent une précision extrêmement élevée dans le contrôle laser. Les 192 faisceaux laser de l'installation doivent être focalisés sur une largeur de quelques millimètres et pénétrer dans la zone cible par des orifices d'environ 3 millimètres de diamètre situés au sommet ou à la base de la cavité de conversion en or. La cavité de conversion mesure environ 2 centimètres de diamètre. Une fois que les lasers pénètrent dans le plasma, les différents faisceaux se croisent et échangent de l'énergie, un processus appelé transfert d'énergie entre faisceaux croisés. Lors de la conception des expériences de fusion par confinement inertiel sur le NIF, les scientifiques ajustent méticuleusement la longueur d'onde des lasers afin d'exploiter le CBET pour équilibrer la distribution d'énergie et améliorer la symétrie de l'implosion.

La question qui préoccupe l'équipe de recherche est la suivante : si l'on modifie non seulement la longueur d'onde du laser, mais aussi son état de polarisation, comment les résultats expérimentaux évoluent-ils ? Pierre Michel, physicien au LLNL et premier auteur de l'article, indique que modifier l'état de polarisation pourrait rendre les composants optiques plus résistants aux dommages de filamentation, mais qu'il faut également évaluer l'impact de ce changement sur les autres aspects de l'expérience. En analysant les effets CBET, les chercheurs ont constaté que la lumière polarisée circulairement pourrait entraîner moins de rétrodiffusion, réduisant ainsi le risque d'endommagement des composants optiques.

Dans la cavité de conversion du NIF, les faisceaux laser pénétrant sous le même angle forment des zones de cônes lumineux dans lesquelles se produit un transfert d'énergie entre faisceaux coniques. Si les différences d'énergie entre les différents faisceaux d'un même cône sont trop importantes, cela peut déclencher des instabilités de rétrodiffusion, aggravant ainsi les dommages au système optique du NIF.

La figure présente la distribution des 96 faisceaux de l'hémisphère inférieur dans la chambre cible du NIF, le code couleur représentant le multiplicateur de puissance CBET. L'image de gauche montre l'effet de la lumière polarisée circulairement, avec des variations plus faibles dans le cône interne ; l'image de droite montre l'effet de la lumière polarisée linéairement.

Michel et son équipe ont comparé les différences entre la lumière polarisée linéairement et la lumière polarisée circulairement à l'aide de simulations CBET. Les résultats montrent que la lumière polarisée circulairement peut réduire les différences d'énergie entre les faisceaux d'un même cône, améliorant ainsi les performances du CBET. Les images de simulation montrent également que, par rapport à la lumière polarisée linéairement, les variations dans le cône interne sont plus faibles dans des conditions de polarisation circulaire.

Cependant, appliquer la lumière polarisée circulairement au NIF n'est pas simple. Pour y parvenir, il faut des éléments à lames d'onde spéciaux capables de réorienter les composantes du champ électromagnétique de la lumière transmise. Jean-Michel Di Nicola, ingénieur principal des systèmes laser du NIF et codirecteur du programme conjoint de science et d'ingénierie des systèmes laser, indique qu'il n'existe actuellement aucune méthode directe connue pour fabriquer des lames quart d'onde répondant aux exigences de taille d'ouverture et de performance du NIF. L'équipe étudie des solutions de fabrication potentielles, notamment l'utilisation d'une technologie de métasurfaces brevetée.

L'équipe de recherche prévoit ensuite de mener des expériences dédiées sur des installations de plus petite échelle, telles que l'installation laser Jupiter du LLNL, afin de valider la nouvelle théorie du CBET dans des conditions de polarisation circulaire. Parallèlement, les chercheurs continueront d'intégrer davantage d'effets physiques dans les codes de simulation afin d'affiner les modèles correspondants.