Les lasers Petawatt sont principalement utilisés dans la recherche (par exemple, dans le développement de nouvelles méthodes de détection précoce du cancer).
Les lasers Petawatt dépassent à tous égards les limites de l'imagination humaine.
Dans le monde entier, les scientifiques utilisent des lasers de haute puissance qui libèrent des quantités d'énergie incroyablement élevées dans des impulsions extrêmement courtes. Ils poursuivent des objectifs aussi divers que la recherche sur la fusion nucléaire et le développement de nouvelles méthodes de détection précoce du cancer.
Les installations les plus connues de ce type sont le National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis, le laser Mégajoule en France (LMJ) et le laser ATLAS au Centre for Advanced Laser Applications à Garching près de Munich. La quantité d'énergie générée par ces systèmes est de l'ordre du pétawatt, ce qui équivaut à un quadrillion de watts. L'impulsion laser la plus puissante à ce jour a été obtenue en 2015 au laser LFEX de l'université d'Osaka et était de 2 PW. Cette puissance ne peut être obtenue qu'en concentrant des quantités comparativement modérées d'énergie (dans le cas du laser ATLAS : 60 J) sur des zones minuscules pendant des périodes très courtes (généralement de l'ordre de la femtoseconde (10 exp-15 secondes)). On obtient ainsi à peu près le même effet que si l'on concentrait sur la pointe d'une épingle la totalité du rayonnement solaire arrivant sur la Terre à un moment donné.
Pour obtenir l'énergie correspondante, il a fallu voir grand. Par exemple, les faisceaux laser générés par le laser français Mégajoule le sont dans 22 lignes de faisceaux. Les quatre salles dans lesquelles elles sont hébergées occupent à peu près l'espace de deux terrains de football. Au total, 10 000 optiques de différentes dimensions sont utilisées pour guider les faisceaux. Comme les optiques laser doivent supporter une puissance énorme, les substrats sont nettement plus épais et les diamètres plus grands que ceux des systèmes laser utilisés dans l'industrie. Le revêtement est encore plus important : sa puissance de seuil de dommage doit être d'environ 5 J/cm² pour une impulsion de 300 picosecondes. La fiabilité de la qualité est encore plus importante que pour les lasers conventionnels, car plusieurs milliers de composants individuels font de la maintenance un défi complexe.
