Les faisceaux lasers femtosecondes sont aujourd'hui si intenses (> 1018 W/cm²) qu'ils peuvent accélérer des électrons jusqu'à des vitesses relativistes. Mais ce n'est pas si simple car le champ électrique laser tend en réalité à faire osciller les électrons si leur vitesse est trop faible. Pour profiter pleinement de l'accélération par le champ électrique du laser (~ 1013 V/m), il faut injecter des électrons d'énergie déjà relativiste dans le faisceau de lumière afin qu'ils restent assez longtemps dans le champ accélérateur.
La solution proposée en 2015 par une collaboration du LOA et de l'Iramis a conduit à la première mise en évidence expérimentale d'une accélération par laser dans le vide. Cette réussite repose sur l'utilisation d'un « miroir plasma » qui remplit une triple fonction : produire un plasma, réfléchir le laser et injecter les électrons rapides dans le champ laser dans la configuration optimale recherchée.
Il restait cependant une limitation fondamentale : le champ électrique associé à la lumière laser était perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau et les électrons accélérés par laser étaient déviés de l'axe optique !
Pour s'affranchir de cette dispersion angulaire, les chercheurs ont eu l'idée d'utiliser un laser polarisé radialement. Une telle polarisation est produite par une mise en forme spatiale du faisceau laser à l'aide d'une lame de phase à huit quadrants. Ainsi, en chaque point du faisceau, le champ électrique (transverse) pointe vers le centre du faisceau et le profil d'intensité laser devient annulaire. Lorsque ce faisceau est fortement focalisé, le champ électrique résultant est longitudinal au point de focalisation. Avec ce type de polarisation, les électrons peuvent être accélérés suivant l'axe optique, sans diverger.
C'est ce qu'a montré une campagne expérimentale menée avec le laser UHI100 du CEA. Des électrons ont été accélérés à des vitesses relativistes avec des impulsions laser à ultra-haute intensité à polarisation radiale et leur divergence angulaire a été réduite de moitié par rapport à l'expérience de 2015 (avec une polarisation linéaire classique).
Des observations fines des électrons accélérés et des harmoniques laser produites, combinées à des simulations tridimensionnelles des résultats expérimentaux, ont permis aux chercheurs de comprendre la complexité des interactions en jeu et d'identifier les voies de progrès possibles. La polarisation radiale des impulsions laser doit être de la plus haute qualité possible et l'incidence laser perpendiculaire au miroir plasma. Affaire à suivre !