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Entretien avec François Mathieu, directeur technique de l'infrastructure laser Apollon

Le 31 mai. 2021
Apollon, un des lasers les plus puissants au monde, sera entièrement mis à disposition des utilisateurs l’année prochaine. C’est donc la dernière ligne droite pour le projet lancé en 2009 et piloté par une équipe du Laboratoire pour l’utilisations des lasers intenses (LULI). A l’occasion de la Journée internationale de la lumière, François Mathieu, Directeur technique d’Apollon, apporte son éclairage sur cette installation d’exception « made in France ».
Entretien avec François Mathieu, directeur technique de l'infrastructure laser Apollon

Le 16 mai est déclaré par l’UNESCO Journée internationale de la lumière. A l’origine de cette journée il y a l’invention du premier laser par le physicien Théodore Maiman le 16 mai 1960. Depuis cette date, la science a beaucoup progressé dans ce domaine. Aujourd’hui, le laser, qui reste un instrument scientifique, a de nombreuses applications dans la vie courante (lecture de CDs, de code-barres, opération en chirurgie, découpage et soudure dans l’industrie, etc.). Vous travaillez au Laboratoire pour l’’utilisation des lasers intenses (LULI*[1]). Comment votre laboratoire contribue-t-il au progrès de la science avec des lasers ?

Notre laboratoire est spécialisé dans l’étude des plasmas créés par lasers de puissance et de leurs applications. Nos missions principales sont la recherche en physique des plasmas, la mise à disposition de lasers de puissance et d’installations aux chercheurs, la formation en physique des plasmas, en lasers de puissance et en optique.

Nous concevons des lasers, créons des installations pour les scientifiques qui cherchent des applications, pour qu’ils puissent mener des expériences. Nous accompagnons les chercheurs et nous sommes poussés par ces gens-là à créer de nouvelles choses, des lasers plus puissants, plus compacts, plus fiables. A chaque expérience, on progresse. Du coup, il y a deux sortes d’applications qui sortent : soit les applications que les utilisateurs ont imaginées, soit les applications qui découlent de ce que nous avons réussi à faire avec les lasers. Disons que 60 % de nos utilisateurs ont déjà une idée en tête d’applications civiles qu’ils recherchent. Il s’agit de chercheurs qui travaillent dans les domaines d’astrophysique, d’étude des matériaux, de radiographie etc. On peut donc dire que le LULI ne gère pas des applications directes, mais participe, avec d’autres laboratoires, à leur développement.

Nous travaillons beaucoup avec les industriels du laser. Par ailleurs, nous développons des appareils de mesure permettant de contrôler les paramètres des lasers. Ce type d’appareils peut être utilisé dans d’autres domaines, pas seulement en physique des plasmas.

Vous avez parlé de la formation. Comment le LULI contribue-t-il à la formation ?

Notre laboratoire est très impliqué dans la formation des jeunes. L’environnement est propice ici, nous sommes entourés par des écoles et universités, qui sont aussi nos tutelles. Chaque année nous accueillons des apprentis, des stagiaires et des doctorants. Beaucoup de nos chercheurs enseignent dans les programmes de masters. J’ai moi-même donné des cours en M2, et cela m’a permis de capter de bons éléments pour mon équipe. En plus, le LULI, avec 6 autres laboratoires d’IP Paris, est porteur de l’Ecole universitaire de recherche PLASMAScience, financée par le PIA 3 dont l’objectif est d’enrichir les enseignements en physique des plasmas et d’attirer les meilleurs étudiants en stages, master, doctorat.

Le LULI est opérateur d’Apollon[2], une installation qui dispose de l’un des lasers les plus puissants au monde. Vous êtes Directeur technique de cette infrastructure de recherche. Parlez-nous de ce projet phare du LULI. Comment ce projet est-il né ?

Le tout début de l’histoire se situe en 2006. L’idée, impulsée par Gérard Mourou, était de concevoir un laser multi pétawatt basé sur la technique d’amplification d’impulsions par dérive de fréquence (Chirped Pulse Amplification ou CPA). Cette technique a d’ailleurs valu à Gérard Mourou le prix Nobel de physique en 2018. Puis une réflexion a été menée au sein du Laboratoire d’optique appliquée (LOA[3]), du LULI et de l’Institut d’Optique Graduate School. Le projet a été vraiment lancé au début de 2009 avec sept tutelles : l’École polytechnique, le CEA, le CNRS, l’ENSTA Paris, l’IOGS, l’Université Paris Sorbonne et l’Université Paris-Saclay. Avoir plusieurs tutelles, a ses avantages, car elles apportent des choses différentes. Par exemple, le CNRS apporte des ressources humaines et financières, l’X fournit des ressources humaines et des locaux etc.

L’objectif était donc de créer un laser très puissant ?

L’objectif était de créer une infrastructure de recherche avec des lasers à très haute puissance (jusqu’à 10 PétaWatt) pour explorer de nouveaux pans de la physique ultra relativiste, de la physique du vide, de la physique des plasmas.

Grace à Apollon, on est capable d’étudier la matière en régime femtoseconde (10-15, soit un millionième de milliardième de seconde). On peut capturer le mouvement des particules, par exemple photographier le déplacement d’un électron autour du noyau dans les plasmas. Ce qui n’était pas possible avec les lasers des générations précédentes nanosecondes (10-9, soit 1 milliardième de seconde) ou picosecondes (10-12, soit un millionième de millionième de seconde). 

Apollon sera ouvert aux équipes de chercheurs du monde entier qui pourront travailler, par exemple, sur l’accélération des particules, le rayonnement X et développer leurs applications dans les domaines de l’énergie, de la biologie, de la médecine et du nucléaire.

Et pourquoi ce nom, Apollon ? Est-ce en lien avec le dieu grec de la musique, des arts et de la beauté masculine, portant des arcs et des flèches ?

Oui, cette installation est nommée en l’honneur de ce dieu grec parce qu’Apollon est aussi le dieu de la lumière ! Certains pensent qu’Apollon est un acronyme (l’utilisation des acronymes est très courante dans le domaine scientifique). On me demande souvent ce que veut dire le A, le P, le O etc. J’explique alors que ce n’est pas un sigle, mais c’est bien le nom du dieu grec.  

La presse a beaucoup parlé d’Apollon depuis son lancement. Où en êtes-vous aujourd’hui ? Est-il terminé ? L’installation est-elle ouverte aux utilisateurs ?

Ce n’est pas complétement terminé. C’est fini pour une partie. On est sensé avoir plusieurs faisceaux : un faisceau 1 Pétawatt et un faisceau 10 Pétawatt. Le premier fonctionne, des chercheurs du CNRS, d’IP Paris, du CEA et de l’Université Paris-Saclay ont effectué des expériences. Au total 3 campagnes expérimentales ont déjà été réalisées. Celui de 10 Pétawatt sera fini l’année prochaine. 

Le projet a été lancé en 2009. La réalisation du projet a pris plus de 12 ans…

Oui, à savoir que nous sommes presque partis de zéro. Au début il fallait chercher un lieu d’implantation, car l’endroit initialement prévu ne convenait pas tout à fait. Finalement, nous avons trouvé un bâtiment à l’Orme des Merisiers (Plateau de Saclay) et nous avons fait des travaux de rénovation (8 millions d’euros). Nous avons préféré cette option, moins onéreuse et plus rapide, à la construction d’un nouveau bâtiment qui aurait pris plus de temps et aurait coûté environ 40 millions d’euros. On a donc économisé du temps et de l’argent.

Après, il y avait d’autres défis. Notamment, l’intégration de l’équipement. Pour certains sujets nous sommes carrément partis de thèses. Aussi, l’obtention de certains composants n’était pas évidente et a pris plus de temps que prévu. Puis, depuis mars 2020, avec le Covid c’est compliqué pour tout le monde et mon équipe, qui est assez jeune (des trentenaires avec des enfants), n’est pas une exception.

Certes nous avons pris du retard, mais la priorité n’était pas sur le planning. Elle était sur l’obtention des performances et sur le respect du budget. Le but était de faire un laser de 10 Pétawatt, et si cela prenait plus de temps, ce n’était pas grave, si budget était respecté. Au final nous sommes dans les clous, car il y a eu moins de 10% d’écart entre ce qui a été prévu et ce qui a été dépensé.

Existe-t-il d’autres lasers similaires dans le monde ? On parle beaucoup de l’exception d’Apollon. En quoi est-il exceptionnel ?

Oui, il existe des installations similaires en Europe de l’Est, implantées dans le cadre du projet européen ELI (Extreme Light Infrastructure) en Roumanie, Hongrie, République Tchèque. Cependant nous avons beaucoup de différences et il ne s’agit pas forcément de puissance.

Si on ne prend que les lasers, l’installation en Roumanie est celle qui nous ressemble le plus. C’est presque du « copié-collé » de notre laser, puisque notre savoir-faire a été transféré à l’entreprise Thales qui a implanté cette installation là-bas.

Par contre, comme les applications recherchées ne sont pas les mêmes, les salles expérimentales ne sont pas conçues de la même façon. Par exemple, ici, nous avons une « salle longue focale » où le laser effectue un long trajet. L’installation roumaine n’est pas équipée d’une telle salle.

Quant à la Hongrie, son laser a une cadence plus élevée (600 tirs toute les minutes (10 hertz)), mais avec beaucoup moins d’énergie. Les applications sont très différentes. Ce qui est recherché ici, ce sont les attosecondes (10-18, s), qui est la plus petite unité de temps à avoir été mesurée.

L’installation en République Tchèque, quant à elle, nous ressemble en termes d’offre et propose le même type d’expériences. Par contre, ce ne sont pas les mêmes lasers. Elle est équipée de lasers américains et anglais. Aussi, la différence en équipement se jouera sur l’existence de notre deuxième salle, « Salle courte focale », qui propose une grande versatilité de configuration des deux faisceaux arrivant dans les enceintes expérimentales.

Vous voulez dire qu’Apollon regroupe et propose différentes techniques, ce qui n’est pas le cas des installations citées en Europe de l’Est ?

Oui, on peut dire que nous n’avons pas d’équivalent en Europe de l’Est. Nos vrais concurrents se trouvent en Asie. Il existe, par exemple, une installation en Corée, dont j’ai eu de très bons échos des utilisateurs qui l’ont testée.

En revanche, ici, nous avons un grand avantage par rapport aux autres installations : nous savons accueillir des équipes extérieures. Et c’est un vrai savoir-faire. Cela fait au moins 30 ans que le LULI accueille des chercheurs du monde entier. Au LULI il y a ceux qui font les lasers et ceux qui utilisent les lasers. Quand une expérience est organisée, il y a toujours quelqu’un du LULI qui participe, qui connaît bien la machine et qui sait en tirer la meilleure partie. En plus, nous avons la possibilité de configurer la machine, de changer les paramètres en fonction des demandes des utilisateurs.

Les installations que j’ai citées fonctionnent différemment. Par exemple, en République Tchèque, les gens savent très bien faire fonctionner leur installation, mais ils n’ont pas encore l’habitude d’accueillir d’autres utilisateurs, de monter une expérience avec des chercheurs extérieurs. L’installation en Corée produit à ce jour peu de publications scientifiques, ce qui me fait dire qu’ils n’ont pas l’environnement stimulant que nous avons ici, sur le Plateau de Saclay. Les scientifiques, nos utilisateurs, savent utiliser les lasers et vont nous pousser à faire évoluer la machine et à garder ainsi notre attractivité.

Pour conclure, je peux dire que si on prend la machine intrinsèque, nos concurrents sont les coréens. Mais si on prend la machine avec toutes ses possibilités et son environnement, aujourd’hui nous n’avons pas de concurrents. Il y aura toute une population de chercheurs qui préféra venir faire des manips chez nous, plutôt que là-bas.

Apollon est destiné aux chercheurs. Est-ce que les étudiants pourront bénéficier de cette installation au top niveau ?

Apollon participe directement et indirectement aux apprentissages des jeunes. D’une part, en temps normal, on essaie régulièrement d’accueillir de jeunes ingénieurs (apprentis, stagiaires en M1, en M2, doctorants). Malheureusement, en ce moment, à cause du contexte sanitaire, on doit limiter le nombre de personnes et on a du mal à prendre des étudiants. D’autre part, quand des chercheurs viennent faire des expériences, ils sont souvent accompagnés par leurs doctorants.

Pensez-vous que les plasmas c’est l’avenir ?

Certainement. L’application première des plasmas est l’étude de la matière et des matériaux. Mieux comprendre la matière et les matériaux permet de mieux les utiliser et les conserver.

Prenons l’exemple des éoliennes. Aujourd’hui, tout le monde s’accorde sur le bénéfice de l’énergie verte. Par contre le coût d’entretien représente un véritable obstacle à leur implantation. Si on arrive, par exemple, à créer des matériaux durcis par laser, il y aura moins d’endommagement, l’entretien coûterait moins cher, ce qui incitera les industriels à faire plus d’éoliennes.

Quand je parle des matériaux, cela peut être du minéral comme du vivant. Ainsi, les chercheurs du LULI contribuent au domaine médical, travaillant sur la protonthérapie, technique de radiothérapie visant à détruire les cellules cancéreuses en les irradiant avec un faisceau de particules (les protons sont générés par le laser). Par rapport à la radiothérapie « conventionnelle », la protonthérapie permet de mieux cibler les tumeurs et de les détruire en minimisant les dommages des tissus environnants sains. Cette technique est considérée aujourd’hui comme un traitement d’avenir.

Quand on pense à l’avenir, on pense forcément à l’exploration de l’espace, à la vie sur Mars etc. A savoir que plusieurs appareils dans le domaine spatial utilisent des plasmas. Prenons par exemple « Perseverance », ce petit robot atterrit sur Mars en février dernier. Ce rover est équipé d’un laser fabriqué par Thales. Dommage, qu’on ne communique pas d’avantage à l’international sur ce laser « made in France ». Ce laser est utilisé pour étudier la matière et la composition du sol. Le laser est capable de créer du plasma, en chauffant des échantillons du sol jusqu’à 10 000 °C et en les vaporisant. Cette méthode, appelée Spectrométrie d’émission optique de plasma, permet de déterminer la composition chimique à partir de l’émission lumineuse du plasma.

Comme vous le voyez, les plasmas sont utilisés dans de nombreux secteurs d’avenir. L’études des plasmas permet de travailler la matière, la transformer, l’améliorer. Il y a beaucoup de perspectives et plein de choses à faire !

 

[1] LULI: une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris, CEA, Sorbonne Université

[2] https://apollonlaserfacility.cnrs.fr/

[3] LOA : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris, ENSTA Paris - Institut Polytechnique de Paris