L'équipe du professeur Yan Lixin du département de génie physique de l'Université Tsinghua réalise en collaboration une cavité de gain optique laser à puissance moyenne supra-mégawatt

Récemment, l'équipe du professeur Yan Lixin du département de génie physique de l'Université Tsinghua, en collaboration avec l'équipe du professeur Fabian Zomer du laboratoire IJCLab de l'Université Paris-Saclay en France, a publié des avancées importantes dans le domaine des cavités de gain optique à haute finesse. L'équipe de recherche a réalisé au laboratoire d'accélérateurs de l'Université Tsinghua une cavité optique à quatre miroirs de type nœud papillon dont la puissance laser moyenne dépasse 1 mégawatt, ainsi que son fonctionnement stable, la puissance moyenne maximale intracavité atteignant 1,15 MW, tout en maintenant un excellent mode gaussien fondamental. Il s'agit du premier travail au monde publié à ce jour sur une cavité de gain optique dont la puissance laser moyenne intracavité atteint le mégawatt, ce qui jettera des bases solides pour des applications importantes telles que le développement de sources de lumière ultraviolette extrême à microgroupement en régime permanent (SSMB), la détection de la non-linéarité du vide en électrodynamique quantique (QED), la neutralisation optique de faisceaux d'ions pour la fusion par confinement magnétique et le développement futur de réacteurs de fusion par confinement inertiel.

En tant que voie technologique efficace alternative à la combinaison cohérente de lasers multiples, la cavité de gain optique (Optical enhancement cavity, OEC) permet de produire des lasers de très haute puissance moyenne. L'OEC fait résonner et se superposer de manière cohérente le laser dans la cavité de gain grâce à des miroirs de très haute réflectivité, augmentant ainsi la puissance moyenne de plusieurs milliers voire dizaines de milliers de fois, tout en maintenant un mode transversal pur. Grâce à son champ laser intracavité stable de haute puissance moyenne, de haute fréquence de répétition, de haute qualité de faisceau et de haute stabilité de phase, l'OEC est devenu un outil idéal indispensable à de nombreuses applications scientifiques avancées, et une puissance circulante moyenne intracavité plus élevée et plus stable constitue l'objectif poursuivi dans ce domaine. Cependant, en raison des effets non linéaires de la charge thermique du système optique et de l'instabilité thermique intracavité, la puissance laser moyenne de la cavité optique est limitée à un niveau de centaines de kW et difficile à augmenter davantage.

Avec pour objectif de réaliser le fonctionnement stable d'une cavité de gain optique à puissance moyenne de l'ordre du mégawatt, l'équipe du professeur Yan Lixin et l'équipe du professeur Fabian Zomer du laboratoire IJCLab de l'Université Paris-Saclay en France ont mené ensemble des recherches exploratoires de longue durée. Après plus de dix ans d'efforts continus, l'équipe de recherche a finalement brisé ce goulot d'étranglement de longue date, réalisant pour la première fois une cavité optique à quatre miroirs de type nœud papillon dont la puissance laser moyenne dépasse 1 MW, la puissance moyenne maximale intracavité atteignant 1,15 MW, et évaluant pour la première fois par mesure le niveau de bruit de phase du laser d'une cavité optique à haute puissance moyenne. Plus important encore, sous une puissance moyenne ultra-élevée de l'ordre du mégawatt, le laser intracavité conserve toujours un excellent mode gaussien fondamental et une excellente stabilité de phase. Ces résultats fournissent une base expérimentale pour l'optimisation ultérieure de la conception de la cavité, du contrôle de stabilité et de la gestion thermique, contribuant à améliorer davantage les performances du système à l'avenir, tout en jetant des bases solides pour les applications avancées de la cavité optique dans de nombreux domaines de pointe.

Figure 1 Schéma du dispositif du système de cavité de gain optique à haute puissance

Le schéma de disposition expérimentale du système de cavité de gain optique à haute puissance moyenne est présenté à la figure 1 ; il se compose des systèmes d'injection laser, d'adaptation optique, de contrôle par rétroaction et de diagnostic des paramètres. Le laser émis par la source laser à faible bruit de phase, après adaptation du mode transversal et alignement de l'axe optique, est injecté dans la cavité de gain optique à quatre miroirs de type nœud papillon. Sous différentes puissances d'injection, l'évolution temporelle de la puissance laser stockée de manière stable dans la cavité est présentée à la figure 2 ; la puissance moyenne maximale intracavité est de 1,15 MW, avec un facteur de gain effectif supérieur à 9000. Lorsque la puissance moyenne intracavité est de 1,05 MW, la stabilité RMS de la puissance laser est de 0,3 %. Le mode laser stocké de manière stable dans la cavité est un mode gaussien fondamental pur, comme le montre la figure 3, sans phénomène de dégénérescence de modes d'ordre supérieur. L'article a mesuré le niveau de bruit de phase des lasers à l'intérieur et à l'extérieur de la cavité lorsque la puissance laser moyenne intracavité était de 500 kW ; les résultats sont présentés à la figure 4. En outre, par la modélisation et l'analyse quantitative de la déformation thermique des miroirs intracavité et de l'effet de lentille thermique du substrat des miroirs, le coefficient d'absorption ultra-faible des miroirs de cavité a été vérifié avec une précision de l'ordre du sous-ppm.

Figure 2 Variation de la puissance laser de la cavité optique sous différentes puissances d'injection laser

Figure 3 Mode de faisceau mesuré sur le trajet de transmission lorsque la puissance moyenne intracavité est de 1,15 MW

Figure 4 Résultats de mesure du bruit de phase et du bruit d'intensité relative du laser injecté et du laser intracavité lorsque la puissance moyenne intracavité est de 500 kW

Les résultats de recherche ont été publiés sous le titre « Beyond a megawatt of average power in a high-finesse optical enhancement cavity » dans la revue Optica, heure de Beijing, le 12 septembre.

Zhao Yan, doctorant du département de génie physique de l'Université Tsinghua, Yang Zhou et Alice Renaux, doctorante du laboratoire IJCLab de l'Université Paris-Saclay, sont co-premiers auteurs de l'article. Le professeur Yan Lixin du département de génie physique de l'Université Tsinghua et le docteur Liu Xing (actuellement employé chez Xiong'an Guochuang Center Technology Co., Ltd.) sont co-auteurs correspondants. Les auteurs de l'article incluent également Huang Yutong, Lu Xinyi, Tian Qili, Ronic Chiche, Kevin Dupraz, Aurelien Martens, Fabian Zomer, le professeur Huang Wenhui et le professeur Tang Chuanxiang, entre autres chercheurs. La recherche a été cofinancée par le programme des jeunes scientifiques exceptionnels des universités de Beijing, le programme national clé de recherche et développement et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.