Laboratoire interaction laser-matière à haute intensité et applications

Le Laboratoire interaction laser-matière à haute intensité et application fait partie de l’infrastructure ALLS. Son laser nommé SPACE, ce laser nommé SPACE, pour Système de Puissance Appliqué au Contrôle Électromagnétique de la matière, est le seul laser dans sa catégorie en Amérique du Nord et le laser le plus puissant au monde actuellement en opération dans la gamme des lasers avec impulsions < 20 fs.

L’infrastructure produit des champs lasers extrêmement intenses. Photo : Christian Fleury

L’intérieur d’une infrastructure laser est composé, entre autres, de nombreux miroirs. Photo : Christian Fleury

Les activités scientifiques du Laboratoire interaction laser-matière à haute intensité et application sont réalisées avec des partenaires et des utilisateurs. Elles touchent :

  • la physique des champs forts;
  • la physique des plasmas relativistes;
  • les sources de rayonnement X et leurs applications aux domaines biomédicaux (imagerie du petit animal, cancer) et de sécurité alimentaire;
  • les sources de particules (électrons et protons) au service de l’analyse de matériaux, de la sécurité et détection de produits prohibés;
  • les nouvelles génération d’accélérateurs et les sources de rayonnement de 5e génération.

L’impact industriel actuel (avec des acteurs identifiés et partenaires) inclut les domaines du contrôle de matériaux et composants complexes, de la sécurité et de la défense, et de l’agriculture sélective.  

Ce laser 200 TW (5J, 30fs, 10Hz) a été rehaussé jusqu’à une puissance de 750TW. En opération depuis 2017, le laser SPACE délivre 13 J en 17 fs (750TW) avec un taux de répétition 2.5 Hz. Il est associé à plusieurs lignes d’utilisation qui incluent une ligne de rayonnement X (imagerie et spectroscopie d’absorption) et les lignes de particules énergétiques (électrons et ions). Une zone radio-protégée permet d’utiliser les photons et les particules de très haute énergies.

La superficie totale allouée actuellement au système SPACE, aux expériences associées et aux espaces de services est de 290 m2. Pour des raisons historiques, le laser SPACE et les lignes de lumières sont installés dans deux salles différentes séparées par un corridor.

La salle laser est équipée d’un compresseur et d’une chambre expérimentale permettant l’utilisation du faisceau à pleine pupille (20 cm de diamètre) et à pleine puissance (750TW, 17fs) pour des expériences requérant une grande précision et stabilité de pointé laser (400 nm dans le champ lointain du faisceau) et n’ayant besoin d’aucune radioprotection.

Une partie du faisceau à pupille réduite (10 cm de diamètre) peut être déportée avant compression et envoyée au moyen d’une ligne de transport de faisceau sous vide primaire vers le laboratoire RX où se trouvent les lignes secondaires de lumière. La puissance laser disponible sur cible est de 250TW maximum.

Ce laboratoire est divisé en trois parties qui comprennent :

  • un compresseur (impulsions limitées à 22fs), une zone de manipulation du faisceau et diagnostics, un poste de contrôle et d’acquisition de données;
  • une zone radio-protégée pour la ligne d’accélération d’électron (GeV) et de génération et utilisation de rayonnement X énergétique (10keV et plus);
  • une zone d’application des faisceaux de protons (10MeV maximum).

Deux autres petits laboratoires sont utilisés respectivement pour la préparation d’échantillons et d’optiques et la préparation et la calibration de caméras et de systèmes de diagnostics.

ALLS est une infrastructure ouverte à la communauté scientifique extérieure à l’INRS et il en est aussi ainsi pour le laser SPACE et ses lignes de lumière associées. Le laser SPACE vient d’être accueilli dans le réseau LaserNetUS des infrastructures laser Nord-Américaines.

Des appels à proposition d’utilisation du laser SPACE seront affichés à partir de 2021. Le coût d’accès pour les lignes de lumière associées au laser SPACE est de 20k$ par semaine.

Imagerie biomédicale et sécurité alimentaire 

Le laboratoire offre à ses utilisateurs une source de rayonnement X (10keV – 100keV) unique au monde de type synchrotron basée sur les laser de puissance. Avec un flux exceptionnel de 5 x 109 photons/0:1% bandwidth/sr/tir à 30 keV et une très grande cohérence, cette source de rayonnement X dur permet d’aborder une grande variété d’applications, avec entres autres, le radiographie X cohérente par contraste de phase appliquée au domaines biomédical et de l’agriculture sélective et la spectroscopie pompe-sonde sur des échelles de temps femtoseconde. Les techniques d’imagerie et la source de rayonnement X associée au laser SPACE de ALLS sont utilisées dans le cadre d’un programme canadien relié à la Sécurité alimentaire Globale. Ce qui rend la source X de ALLS unique au Canada est sa gamme spectrale dans le domaine X, sa cohérence spatiale offrant des résolutions spatiales micrométriques en imagerie, sa compacité et aussi une durée d’impulsion de l’ordre de la dizaine de femtosecondes idéale pour sonder les processus ultra-rapides dans la matière complexe.

 

Science de la matière et patrimoine culturel 

Le laboratoire offre aussi une ligne dédiée à l’accélération d’ions par laser et les applications associées. Cette source de particules très compacte et avec forte brillance, permet d’obtenir des protons avec une énergie dans la gamme de la dizaine de MeV, avec environs 1012 protons par tir laser produits à la source en moins d’une picoseconde. La source peut être utilisée pour l’imagerie de champs et la caractérisation de matériaux au moyen de la technique de PIXE laser avec de nouvelles perspectives en biologie, en science de la matière et pour le patrimoine culturel.

Le Laboratoire interaction laser-matière à haute intensité et application est financé par les organismes de financement dont le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI), le ministère de l’Économie et de l’Innovation (MEI), les Fonds de recherche du Québec – Nature et Technologies (FQRNT), des contrats avec des partenaires privés et les utilisateurs payeurs.

Personnes-ressources

Jean-Claude Kieffer

Professeur et responsable scientifique

Téléphone : 514 228-6923

Courriel : kieffer@emt.inrs.ca

Laboratoire interaction laser-matière à haute intensité et applications

Institut national de la recherche scientifique

Centre Énergie Matériaux Télécommunications

1650, boulevard Lionel-Boulet

Varennes (Québec)  J3X 1S2

Voir sur la carte

Site Web du Laboratoire