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Un faisceau laser qui voit loin

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Coupe transversale d’un faisceau produit par le Faisceau laser structuré

Image 1 : Exemple d'une coupe transversale d’un faisceau produit par le Faisceau laser structuré. L’axe central, très dense, est entouré de plusieurs halos de lumière. Entre chaque halo, le noir est absolu, ce qui crée un fort contraste. Ce contraste permet de mesurer la position des halos lumineux avec une grande précision, et ainsi de valider les mesures par redondance. (Image : CERN/IPP)

 

« Le hasard fait bien les choses » dit le proverbe, et parfois même, il mène à des inventions. Une équipe de géomètres du CERN, en collaboration avec l’Institut de physique des plasmas de Prague (IPP), a ainsi développé un faisceau laser novateur en travaillant sur un système d’alignement particulièrement exigeant. « En développant le système d’alignement pour l’accélérateur HIE-ISOLDE, nous avons découvert les étonnantes propriétés optiques d’un système générant un faisceau laser structuré », expliquent Jean-Christophe Gayde (CERN (EN-SMM-ESA)) et Miroslav Šulc (IPP), inventeurs du système. « À l’origine, il n’était pas prévu de développer un générateur pour un tel type de faisceau laser, mais les résultats de nos recherches étaient très encourageants. »

Poursuivant le développement « imprévu », les deux équipes ont ainsi mis au point le « Faisceau laser structuré » (« Structured Laser Beam »), extrêmement novateur car il permet de produire des faisceaux quasiment non diffractifs. L’axe central des faisceaux diverge très peu, et ce, sur plusieurs centaines de mètres : à 200 mètres du système, l’axe central du laser ne mesure que quelques millimètres de diamètre, à peine plus qu’à sa sortie du générateur (voir image 2) ! Or les systèmes disponibles sur le marché ne produisent de tels faisceaux que sur quelques mètres.

A pioneering laser beam
Image 2 : Comparaison de la divergence centrale d’un faisceau laser non structuré (à gauche) et d’un faisceau laser structuré (à droite), de 0 à 3 mètres de distance du générateur. (Image : CERN/IPP)

 

Grâce à ses propriétés exceptionnelles, le Faisceau laser structuré présente un intérêt potentiel pour de nombreux domaines, parmi lesquels la communication, la médecine, la physique, mais surtout, la métrologie. « Au CERN, ce laser serait un outil précieux pour l’alignement des aimants, grâce à sa faible divergence centrale », souligne Jean-Christophe Gayde. « Il possède de plus une particularité spectaculaire : dans certaines conditions, le faisceau se reforme après un obstacle. Son halo est en effet capable de reconstituer le faisceau central après le passage de l’obstacle, à l’instar d’un faisceau de Bessel. »

Le Faisceau laser structuré peut être produit à partir de faisceaux laser sources dans une large gamme de longueurs d’onde, et sa géométrie est facilement adaptable (diamètre de la divergence centrale, nombre de cercles dans le halo, etc.). Le générateur peut quant à lui être très compact (de la taille d’une boîte d’allumettes), ajustable tout en restant relativement bon marché. « Nous avons déposé une demande de brevet en mai 2018 et nous sommes depuis en discussion avec plusieurs clients potentiels en Europe afin d’établir des collaborations », indique Amy Bilton, chargée du transfert de connaissances (KTO*) et responsable du projet au sein du groupe Transfert de connaissances du CERN. « Les études se poursuivent et d’autres tests sont nécessaires, mais l’utilisation du Faisceau laser structuré pourrait améliorer considérablement certaines applications utilisant des faisceaux lumineux, et en particulier des faisceaux laser. »

*KTO : Knowledge Transfer Officer