La "lumière laser" constitue un moyen privilégié pour étudier la matière et les nombreux aspects de son comportement sous éclairement.

L’étude de l'interaction laser-matière connaît ainsi depuis de nombreuses années un développement important, lié à l'avènement de lasers très puissants et à impulsions ultra brèves. 

Ces instruments capables d’engendrer de fortes puissances sur une durée très courte, permettent d’étudier en temps réel la dynamique des vibrations des atomes constituants les molécules, à l'échelle de la picoseconde ou de la femtoseconde et donc d'explorer tous les phénomènes de la physico-chimie (par exemple l'observation du mouvement des noyaux au cours d'une réaction chimique). En étudiant les caractéristiques de la lumière émise ou absorbée par les atomes ou leurs assemblages (molécules, agrégats, polymères), les physiciens peuvent mieux comprendre leur stabilité ou leur réactivité, et les mécanismes intervenant dans leur élaboration.

Au-delà des lasers dédiés à la physico-chimie, de nouvelles chaines laser permettent aujourd'hui d'atteindre des puissances extrêmes et/ou des durées d'impulsions ultracourtes. A la différence du Laser Mégajoule ou du laser de la NIF (National Ignition Facility), qui misent sur la densité d’énergie fournie par le faisceau laser (au-delà du million de joules), les lasers à impulsion ultra-brèves délivrent une puissance moyenne très modeste de quelques joules, mais une puissance instantanée gigantesque (100 Terawatt, à comparer à la puissance de production électrique installée sur Terre de l'ordre de 4 Terawatt). Cette puissance est obtenue en concentrant l'énergie de l'impulsion initiale en un temps très court, de l’ordre de la femtoseconde (de l’ordre du millionième de milliardième de seconde) ou même de la centaine d'attoseconde.

LES LASERS POUR "PHOTOGRAPHIER" LES ATOMES

On sait aujourd'hui observer en temps réel le mouvement des atomes au sein d'une molécule. Cette observation peut être réalisée grâce à un faisceau laser dont les impulsions sont plus courtes que la période de vibration de la molécule à étudier. Les expériences de ce type sont appelées des expériences "pompe-sonde". Elles se déroulent en deux temps. Une première impulsion laser, l'impulsion pompe, amène la molécule à un état excité. Cette opération définit le "temps zéro" de l'expérience ; une seconde impulsion laser, l'impulsion sonde, vient ensuite photographier la molécule à différents instants et sonde ses différents états transitoires.

Des expériences de ce type sont menées au CEA Saclay avec la source laser Laser Ultracourt Accordable, LUCA. Cette source qui délivre des impulsions ultra-brèves, de l'ordre de 100 femtosecondes accordables dans le visible ou l'ultraviolet, permet en quelque sorte de saisir au vol, au sein des molécules, les mouvements des atomes qui se séparent ou se rapprochent et de détecter les transferts d'électrons entre atomes. Ces expériences aident ainsi à comprendre les mécanismes des réactions chimiques élémentaires et pourraient avoir des applications immenses en chimie et dans les sciences du vivant.

Un nouvel objectif : LES LASERS COMME ACCELERATEURS D’ELECTRONS ET DE PROTONS

A côté des accélérateurs conventionnels de particules, les chercheurs étudient les mécanismes d'accélération de particules en utilisant l'interaction d'un laser avec la matière, en l’occurrence avec une cible spécifique. Lors de cette interaction du faisceau laser avec la matière, des champs électriques extrêmes sont produits, et les particules initialement au repos vont quitter la cible en subissant une accélération fulgurante. L'excitation rapide des électrons génère une onde plasma, qui elle-même va rendre possible l’accélération efficace de particules : ces recherches appartiennent à la physique des plasmas.

Les lasers femtosecondes les plus puissants ouvrent ainsi la voie à de nombreuses applications : médicales, nucléaires, en chimie et en biologie. Elles pourraient de plus permettre d'étudier des phénomènes nouveaux sur des échelles de temps ultra-courtes (100 fs).
Ces émissions secondaires de particules et de lumière servent ainsi deux objectifs :

• comprendre la "physique de l’interaction lumière-matière" ;
• utiliser les sources pour développer des applications originales, dans des domaines aussi variés que la physique (diagnostics plasmas), la science des matériaux (radiographie, diffraction électronique et de photons), la chimie (radiolyse, étude de surface), la médecine (protonthérapie, radiothérapie, imagerie).