Prix Nobel de physique: Comment Bordeaux s’est taillé une réputation mondiale sur le laser de forte puissance

SCIENCES Grâce aux lasers mégajoule et Petal implantés au Barp, et au laboratoire Celia à Talence, la région bordelaise est devenue une référence mondiale concernant la recherche autour du laser de forte puissance…

Mickaël Bosredon

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Le laser PETAL au sein de l'installation laser Mégajoule au Barp.
Le laser PETAL au sein de l'installation laser Mégajoule au Barp. — CEA
  • La technique mise au point par le nouveau Nobel de physique, le Français Gérard Mourou, est notamment à l’origine de la création du laboratoire Celia à Talence.
  • A Bordeaux, tout a commencé en 1995 lorsqu’il a été décidé d’implanter au Barp un laser mégajoule pour simuler la bombe atomique.
  • Plusieurs programmes civils, ainsi que leurs applications industrielles, en ont découlé.

Lorsqu’il a appris que le Nobel de physique avait été attribué cette année au physicien français Gérard Mourou, Philippe Balcou, chercheur et directeur du laboratoire de l'université de Bordeaux Celia (Centre Lasers Intenses et Applications), à Talence, n’en a pas cru ses oreilles. « Non pas que l’idée que Gérard Mourou ait le Nobel ne m’ait jamais traversé l’esprit, bien au contraire : cela fait 20 ans que l’on se demande, chaque mois d’octobre, s’il va enfin l’avoir ce Prix Nobel… »

Il faut dire que la technique mise au point par Gérard Mourou et son étudiante à l’université de Rochester (New York) Donna Strickland, qui remonte déjà à 1985 et consiste à augmenter la puissance des lasers, est à l’origine de la création en 1999 du Celia. Ce qui a permis à Bordeaux de se forger en une vingtaine d’années, une réputation mondiale dans le procédé du laser d’amplification à dérive de fréquences, ou CPA (« chirped pulse amplification » en anglais), de Gérard Mourou.

« On crée une matière que l’on ne connaît pas sur Terre »

Cette méthode optique « a permis d’abattre d’un coup une barrière dans le chemin de l’avancée de la connaissance, et a ouvert des champs de recherche dans l’étude des régimes extrêmes de la matière », explique Philippe Balcou. Ce procédé consiste à faire interagir des lasers avec de la matière, pour porter celle-ci dans des états de température, de pression, qui n’existent que dans les étoiles. « En somme, on crée une matière que l’on ne connaît pas sur Terre, et on l’étudie pour voir si cela peut servir à quelque chose ou pas. »

Le deuxième champ d’application du laser CPA, est d’aller photographier l’évolution de la matière au plan microscopique, sur des bases de temps de l’ordre de la femtoseconde (cent millionièmes de millionièmes de seconde) pour les molécules, et sur des bases encore plus courtes concernant les atomes et les électrons. « Les lasers femtoseconde existaient bien avant Gérard Mourou, précise Philippe Balcou, mais le mur scientifique qu’il a abattu avec Donna Strickland, nous a permis d’aller mettre beaucoup d’énergie dans des impulsions laser extrêmement courtes, ce qu’on était totalement incapables de faire auparavant. » En créant des sources de particules, de rayons X et de rayons ultraviolets, « on peut étudier des phénomènes que l’on ne pouvait pas étudier auparavant, et porter la matière dans des conditions que l’on était totalement incapable de créer auparavant. »

XPulse, un projet bordelais pour la détection précoce du cancer du sein

Concrètement, cela a donné naissance à Bordeaux au projet XPulse, lancé il y a environ deux ans. Financé par la région Nouvelle Aquitaine, il vise à développer un système innovant d’imagerie médicale par rayons X exploitant des lasers intenses de forte puissance moyenne, pour une application dans la détection précoce du cancer du sein. En créant des images avec une résolution supérieure à la radiographie standard, ce prototype devrait permettre de détecter des cancers du sein de petite taille à des stades plus précoces.

Ce projet est porté par ALPhANOV, le Centre technologique optique et lasers qui s’est créé à partir du Celia, en 2007. Regroupant une cinquantaine de personnes, son objectif est de travailler sur toutes les applications industrielles du laser, et d’aider des sociétés à se créer dans ce domaine. Il a ainsi contribué à la création de plus d’une vingtaine d’entreprises, pendant que le Celia a été directement à l’origine de la création de huit sociétés. Tout ce tissu a été regroupé sous la bannière Route des lasers, un pôle de compétitivité de la région Nouvelle Aquitaine.

A l’origine de la filière du laser en Aquitaine, le laser mégajoule au Barp

Toute cette recherche de pointe et ses applications industrielles ont découlé de la décision, en 1995, de construire au Barp (à 30 km au sud de Bordeaux) un grand outil laser, le mégajoule (LMJ), confié au centre de recherche CEA-Cesta.

Le LMJ est issu de la décision du président Jacques Chirac d’arrêter les essais nucléaires à Mururoa. « Il a souhaité en contrepartie que la Défense française se dote de grands moyens de recherche pour remplacer ces essais, d’où la naissance de supercalculateurs en Ile-de-France et de ce très gros laser en Aquitaine », explique Philippe Balcou.

Il a fallu une vingtaine d’années pour le construire, puisque le LMJ, dont le but est donc de simuler les effets de la bombe atomique lorsqu’elle explose, a commencé à tirer fin 2014. « Le LMJ n’utilise pas du tout la technologie de Gérard Mourou, précise Philippe Balcou, puisque nous sommes ici sur une technologie d’impulsion notablement plus longue et à très grande échelle. Mais à côté du LMJ, le CEA-Cesta a développé le programme Petal, qui est un laser dit pétawatt, c’est-à-dire 10 puissance 15 watts. Il a été lancé et financé par la région Aquitaine fin 2015. Donc le Celia n’est pas du tout le seul en Aquitaine à avoir une activité centrée sur la technique d’amplification à dérive de fréquences. »

La plus grande réussite du laser d’amplification à dérive de fréquences reste la technique du Lasik

Aujourd’hui, le Celia et ses partenaires travaillent sur des sujets variés dans des champs de recherche qui vont du très fondamental au très appliqué. Cela va du laser qui équipera le robot RoverMars 2020, à la protonthérapie, en association avec l’ Institut Bergonié de Bordeaux, dans le but de créer des outils de traitement des cancers beaucoup plus petits que ce qui existe aujourd’hui. « L’objectif est de pouvoir tourner autour d’un patient, plutôt que d’utiliser ces énormes bras articulés assez monstrueux. »

Mais à ce jour, la plus grande réussite industrielle du laser d’amplification à dérive de fréquences a vu le jour aux Etats-Unis, à l’université d’Ann Arbor (Michigan) précisément où enseignait Gérard Mourou, pas à Bordeaux. Il s’agit de la mise au point de la technique du Lasik, qui permet la découpe du tissu cornéen par laser ultrarapide. « Grâce à l’extraordinaire brièveté de l’impulsion laser », on peut découper et enlever une partie de la cornée, dans le but de remplacer le cristallin, sans abîmer les tissus. Le procédé a permis d’opérer plusieurs centaines de milliers de patients à travers le monde.