Additionner des lasers : la combinaison cohérente de faisceaux
Aucun laser ne fournira seul les gigawatts qu'exigerait une voile interstellaire. Il faudrait en accorder des milliers, puis des millions, comme les pupitres d'un orchestre. Ce que dit la physique, où en sont les laboratoires, et le chemin qui reste.
La puissance des lasers à fibre dopée à l'ytterbium, continus et de grande qualité de faisceau, a fortement progressé depuis la centaine de watts du début des années 2000 ; en 2014, l'industriel américain Lockheed Martin annonçait déjà un faisceau combiné de 30 kilowatts issu de tels lasers. Mais chaque fibre bute sur des limites physiques : effets non linéaires qui renvoient une partie de la lumière en arrière, instabilités thermiques qui dégradent la qualité du faisceau. Or pousser une voile vers Alpha du Centaure demanderait de l'ordre de la centaine de gigawatts, soit des millions de fois plus. La seule voie envisageable est d'additionner des lasers. Encore faut-il savoir comment.
Trois façons d'additionner des faisceaux
La plus simple consiste à juxtaposer des faisceaux indépendants. Les puissances s'additionnent, mais pas la qualité : la tache produite au loin est aussi large que celle de chaque faisceau, et l'intensité au centre ne croît que comme le nombre N d'émetteurs.
La deuxième, la combinaison spectrale, utilise des lasers de longueurs d'onde légèrement différentes, que l'on superpose en un seul faisceau grâce à un réseau de diffraction, à la manière d'un prisme utilisé à l'envers. Elle donne un faisceau fin et puissant, mais le nombre de voies est limité par la largeur de bande disponible.
La troisième est la combinaison cohérente : tous les émetteurs ont la même longueur d'onde et leurs phases sont verrouillées, de sorte que leurs ondes interfèrent de façon constructive dans la direction visée. Le réseau se comporte alors comme un seul émetteur dont la taille est celle de l'ensemble. Pour la propulsion de voiles, c'est la seule option qui passe à l'échelle.
Le jeu des phases
Si N émetteurs identiques, d'amplitude a, sont exactement en phase, leurs champs s'ajoutent sur l'axe : le champ total vaut Na et l'intensité au centre de la tache lointaine croît comme N^2, contre N seulement pour des faisceaux indépendants. La puissance totale ne change pas : elle est concentrée dans un lobe central plus étroit.
Ce gain se paie par une exigence de précision. Si les phases fluctuent avec un écart quadratique moyen \sigma_\varphi (en radians), la fraction de puissance qui reste dans le lobe central est approximativement
\eta \approx e^{-\sigma_\varphi^2}
Pour garder 90 % de l'efficacité, il faut \sigma_\varphi \approx 0{,}32 radian, soit environ un vingtième de longueur d'onde : une cinquantaine de nanomètres pour un laser à 1 micromètre. Or chaque voie traverse plusieurs mètres de fibre, dont la longueur optique varie de nombreuses longueurs d'onde avec la moindre variation de température ou la moindre vibration. Il faut donc corriger les phases en permanence.
Un autre paramètre compte : le taux de remplissage. Si les sous-faisceaux ne couvrent pas toute l'ouverture d'émission, des lobes secondaires apparaissent autour du lobe central et lui volent de la puissance.
Asservir des milliers de voies
Pour être cohérents, tous les émetteurs doivent descendre d'une même source, un oscillateur maître à raie très fine, dont la lumière est divisée puis amplifiée dans autant de fibres parallèles. Chaque voie porte un modulateur de phase rapide. Reste à savoir quelle correction appliquer. On peut comparer chaque voie à une onde de référence par interférométrie ; marquer chaque voie d'une petite modulation reconnaissable pour retrouver sa contribution dans un détecteur unique ; ou bien, sans rien mesurer voie par voie, ajuster toutes les phases par petits essais successifs pour maximiser le signal reçu sur la cible.
Les démonstrations publiées en laboratoire associent aujourd'hui, à notre connaissance, de quelques dizaines à une centaine de voies, et des puissances combinées qui atteignent la dizaine de kilowatts. On est encore très loin du réseau phasé de propulsion. Il faudrait, selon les concepts publiés, de l'ordre d'un million d'émetteurs ou davantage, chacun piloté avec précision. L'étude de mission Andromeda note aussi que l'efficacité des lasers à fibre, voisine de 40 %, devra progresser.
Pourquoi les voiles en dépendent
La raison est la diffraction. Un émetteur de diamètre D produit au loin, à la distance L, une tache de diamètre de l'ordre de 2{,}4\,\lambda L / D. Pour qu'une voile de 4 mètres reste entièrement dans le faisceau, la poussée doit s'arrêter avant la distance L \approx dD/(2{,}4\,\lambda). Avec une ouverture d'un kilomètre et \lambda = 1 µm, on trouve environ 1,6 million de kilomètres, à peu près quatre fois la distance Terre–Lune. Seule une ouverture kilométrique cohérente peut donc maintenir la poussée assez longtemps, et aucun miroir monolithique n'atteindra cette taille : il faut un réseau d'émetteurs en phase. En jouant sur les phases, on oriente en outre le faisceau sans rien bouger.
Et sur Terre ?
Chaque palier a ses usages. Des faisceaux combinés pilotés électroniquement servent déjà au soudage et à la découpe, et un contrôleur de phase qui passe à l'échelle à moindre coût livrerait plus de puissance sur une cible éloignée, pour l'industrie comme pour le transport d'énergie par laser (voir la marche B-LGT-01). Le même principe, réduit à une puce, permet d'orienter un faisceau sans pièce mobile pour les LiDAR et les liaisons optiques. Des programmes de défense, aux États-Unis ou au Royaume-Uni, développent eux aussi des lasers de plusieurs dizaines de kilowatts. À plus long terme, le réseau complet de propulsion est l'objet d'une marche dédiée (voir la marche B-LGT-15).
Passer de cent voies à un million, c'est changer de métier : l'enjeu devient l'architecture de commande, la fabrication en série et le coût de chaque watt. C'est sur ces trois fronts que se jouera la prochaine décennie.