FLEX : Sources X par électrons relativistes

Lors de l'interaction à haute intensité (>1018 W/cm2) entre un laser femtoseconde avec un gaz sous-dense, des électrons du gaz peuvent être accélérés jusqu'à des énergies relativistes. Ce mécanisme, maintenant bien connu, a été très étudié au LOA dans l'objectif de réaliser des accélérateurs compacts. Selon les conditions d'interaction, pression du gaz, intensité du laser, ces électrons relativistes peuvent aussi émettre un flash ultrabref de rayons X. Parmi les différents processus pouvant produire du rayonnement X lors de l'interaction laser plasma relativiste, le LOA étudie tout particulièrement le rayonnement dit Bétatron, la diffusion Thomson nonlinéaire, la diffusion Compton, le rayonnement Synchrotoron ainsi que le rayonnement cohérent emis par un laser à électrons libres.

Rayonnement Betatron

Ce schéma est entièrement optique: un laser intense, focalisé dans un jet de gaz d'hélium, crée, dans son sillage, une cavité ionique qui joue simultanément les rôles du couple accélérateur - onduleur qui compose habituellement un synchrotron conventionnel. En effet, grâce aux champ électriques intenses existants dans la cavité (qui suit l'impulsion laser) les électrons du plasma qui y sont piégés sont accélérés jusqu'à plusieurs dizaines de MegaélectronVolts (MeV) et oscillent avec une période de l'ordre d'une centaine de microns et une amplitude de l'ordre du micron. La conséquence de ce mouvement est l'émission d'un faisceau de rayonnement X intense que l'on appelle rayonnement Bétatron. Ce rayonnement a été mis en évidence pour la première fois au LOA en 2004. Depuis, de nombreux laboratoires s'intéressent à cette source et la développe.


Le montage expérimental est simple et compact, ce qui rend cette source particulièrement attractive pour les utilisateurs. Le laser de la Salle Jaune (1,5J, 30 fs, 10 Hz) est focalisé sur un jet supersonique d'hélium de longueur millimétrique. A la sortie du jet de gaz, les rayons X sont colinéaires avec le paquet d'électrons relativistes qui les a générés. Un aimant permanent sert alors à dévier les électrons tandis que les rayons X restent sur la même trajectoire. Ils peuvent être collectés par un détecteur (comme le montre la photographie) ou dirigés vers une expérience d'application.


Le faisceau Bétatron est maintenant bien caractérisé. L'émission est de type « spectre blanc » c'est à dire un rayonnement continu entre quelques eV et 10 keV avec 106 photons/impulsion/0,1% BW. Le faisceau est faiblement divergent (environ 10 mrad) avec une distribution quasi-gaussienne. La taille de source est d'environ 1 µm et la durée d'impulsion a été estimée à l'aide de simulations numériques à moins de 20 fs. L'ensemble de ces paramètres en font une source particulièrement attractive pour les utilisateurs en Physique des plasmas (radiographie ultra-rapide, spectroscopie d'absorption), en imagerie biologique(radiographie, microscopie) en Physique du solide (transition de phase ultra-rapide).



Le rayonnement Bétatron n'est qu'au début de son histoire. De nombreuses améliorations sont attendues, sur le nombre de photons par impulsion (en utilisant un laser plus énergétique), sur la puissance moyenne (en augmentant le taux de répétition du laser) ou sur l'énergie maximale des photons. Ce dernier point représente un enjeu majeur car vers quelques dizaines de keV de très nombreuses applications médicales apparaissent, comme évidemment la radiographie ultrarapide.

Comment atteindre cette gamme d'énergie ? On peut le comprendre simplement en étudiant la formule (1) donnant l'énergie typique E, du rayonnement bétatron.

E = ?2 × ne × ro (1)
où ne est la densité d'électrons dans le plasma, ro l'amplitude des oscillations. ? le facteur de Lorentz est donner par la formule (2) :

Augmenter la densité électronique n'est pas une voie simple pour accroître l'énergie limite car cela modifie beaucoup la physique de l'interaction laser-gaz et laser-plasma. Augmenter l'amplitude d'oscillations suppose de combattre la tendance naturelle du milieu à amortir les oscillations (fig. 4a). Il « suffit » donc d'enlever une partie du plasma... en faisant un trou dans le jet de gaz comme le montre la figure (4b).

Cette méthode n'est pas la seule voie possible. D'autres méthodes sont également envisagées et notamment l'utilisation de guides d'onde permettant de guider l'impulsion laser sur de plus grandes distances (cm). Dans ce cas, les électrons sont accélérés plus longtemps et gagnent plus d'énergie que dans une configuration sans guidage. Une augmentation significative du flux de rayonnement est attendue ainsi qu'une diminution de la divergence.
Naturellement, le développement de la source de rayonnement Bétatron va suivre celui des lasers, de plus en plus intenses, qui sont en projet ou en construction au LOA et ailleurs. Avec un laser de classe Pettawatt, un faisceau de rayonnement X collimaté dans un angle de 10 mrad dans la gamme multi 10 keV avec plus de 107 photons / tirs / 0.1 BW est attendu.

En moins de dix ans, les sources X femtoseconde créés par laser ultra-intense ont très fortement progressé, que ce soit sur la compréhension des processus fondamentaux, sur l'optimisation des caractéristiques spatio-temporelles ou encore par leur ouverture vers des utilisateurs extérieurs provenant de communautés scientifiques diverses. Les moyens optiques et la métrologie X associée ont aussi connu une forte évolution poussée par la demande croissante des utilisateurs. Malgré tout ces progrès, il est clair que beaucoup de travail reste à accomplir. Une ère nouvelle s'ouvre pour les sources X femtosecondes qui sera riche d'expériences et théories passionnantes et de découvertes importantes.

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Diffusion Thomson non linéaire


La diffusion Thomson linéaire - qui correspond à la diffusion d'une onde électromagnétique de faible intensité par des électrons - est un processus radiatif qui émet du rayonnement à la même fréquence que celle du rayonnement incident. Cependant, lorsque l'intensité de l'onde électromagnétique incidente devient très importante (intensités laser supérieures à 1018 W/cm2), les électrons oscillant dans l'impulsion laser atteignent des vitesses relativistes et ont un mouvement fortement non linéaire. L'onde électromagnétique diffusée est alors constituée d'harmoniques pouvant atteindre le domaine spectral des rayons X et la distribution spatiale du rayonnement est anisotrope. Dans ce régime d'interaction relativiste, la diffusion Thomson est dite non linéaire. Ce processus radiatif a été propose à plusieurs reprises comme une source potentielle de rayonnement X femtoseconde. Ce n'est qu'en 1998 que ce mécanisme fut mis en évidence pour la première fois ; le rayonnement de diffusion Thomson nonlinéaire avait alors été observé dans la gamme spectrale du visible. Mais, dans l'attente de lasers plus intenses, aucune démonstration dans la gamme X n'avait été réalisée depuis.

Le groupe FLEX a caractérisé le rayonnement de diffusion Thomson nonlinéaire dans la gamme spectrale XUV de 10 eV à 1 keV lors de l'interaction Laser-Hélium à une intensité de 1019 W/cm2. Les résultats sont publiés dans JOSA B (2003), Physical Review Letters (2003) et en soumission à EPJD (2005). Nous montrons que ce rayonnement présente des caractéristiques singulières qui sont en bon accord avec les modèles numériques : le spectre est large, il s'étend jusqu'à 1 keV et présente un maximum à 100 eV (pour I ~ 1019 W/cm2), la distribution spatiale est dirigée vers l'avant dans un cône de 20 degrés, le nombre de photons est de l'ordre de 1010 par tir intégrés sur le spectre et sur la distribution spatiale. Les lois d'échelles que nous en avons déduites montrent que ce mécanisme peut être utilisé pour produire des faisceaux de rayonnement X intenses et énergétiques, si toutefois la puissance du laser est augmentée de manière atteindre une intensité de l'ordre de 1020 W/cm2.

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Diffusion Compton


Pour produire des faisceaux de rayonnement X dans la gamme d'énergies 20 keV - 100 keV, un autre projet est en cours de réalisation dans le groupe FLEX. Le rayonnement X dans cette gamme d'énergies ne peut être actuellement produit par rayonnement Bétatron, sauf si l'on considère des électrons d'énergie de l'ordre du GeV mais ce n'est pas encore le cas. En revanche, il est peut être produit lors de la diffusion Thomson d'un laser contre-propagatif sur un faisceau d'électrons relativistes d'énergie de l'ordre d'une dizaine de MeV. Dans ce cas, deux effets Doppler successifs s'additionnent pour produire du rayonnement X : le premier est sur la fréquence laser vues par les électrons relativistes et le second est sur le rayonnement diffusé par les électrons et observé dans le référentiel du laboratoire. C'est une solution intéressante et qui a été proposée à maintes reprises mais qui reste cependant très délicate à réaliser expérimentalement. Si l'on considère un schéma entièrement optique (ou le faisceau d'électrons est produit dans un plasma), deux faisceaux laser sont nécessaires : un premier pour accélérer les électrons, puis un second, contre propagatif, pour diffuser sur ce paquet et produire du rayonnement X (dans la direction de propagation des électrons).

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Rayonnement Synchrotron

Laser à électrons libres

Principe

C'est une source de rayonnement synchrotron, rendue cohérente et capable de produire de fortes puissances crêtes dans un domaine spectral allant des ondes millimétriques aux rayons X. Le LEL se distingue des lasers traditionnels par son milieu amplificateur : un faisceau d'électrons relativistes de haute énergie. Celui-ci est composé d'une suite de paquets d'électrons produits par un accélérateur de particules. L'accélérateur d'électrons peut être soit circulaire, comme le premier LEL fonctionnant sur anneau de stockage, soit linéaire, il est alors appelé LINAC (LINear ACcelerator). Les électrons arrivent ensuite dans l'élément rayonnant, une structure magnétique périodique permanente appelée « onduleur ».

Un tel dispositif présente l'avantage d'offrir une large accordabilité en longueur d'onde, typiquement de une à deux décades avec une même installation et la possibilité d'atteindre des longueurs d'onde allant de l'infrarouge aux rayons X, performances difficilement réalisables avec un laser traditionnel. Le LEL permet aussi de produire de fortes puissances crêtes, des impulsions femtosecondes avec des taux de répétition variés. L'inconvénient majeur réside souvent dans son prix et sa taille. Il nécessite en effet l'installation d'un accélérateur de particules, des blindages de protection contre les rayonnements ionisants et des salles aménagées pour les utilisateurs ; sa mise en place en laboratoire n'en est rendue que plus difficile. De plus, le gain du processus d'amplification étant inversement proportionnel au cube de l'énergie des électrons, l'obtention de l'effet laser présente plus de difficultés dans le domaine de l'ultra violet et encore davantage dans le domaine des X que pour les grandes longueurs d'onde.

Les différentes configurations de LEL

Les premiers LELs furent constitués d'un unique onduleur placé dans une cavité optique, configuration dite en « oscillateur », le plus souvent utilisée sur anneau de stockage pour des centres serveurs dans l'IR. Plus récemment, les sources se sont développées jusqu'à l'ultraviolet lointain; le LEL européen d'Elettra (Italie) a généré un rayonnement à 190 nm, plus courte longueur d'onde jamais atteinte dans cette configuration. En effet, les capacités d'extension de ces LELs aux domaines VUV (« ultraviolet à vide ») et X sont limitées par le fait qu'il n'existe pas de matériau convenable pour les miroirs de la cavité optique dans ces plages spectrales de rayonnement.

Plusieurs voies sont actuellement explorées avec des LELs dépourvus de cavité optique où l'amplification se fait en un seul passage; classiquement le SASE, ou plus complexes et novateur le HGHG et l'injection d'harmoniques d'ordres élevées.

  • En mode « SASE » (Self Amplified Spontaneous Emission), l'interaction entre le paquet d'électrons et les photons émis doit être très forte, puisqu'elle se fait en un seul passage. Ceci peut être réalisé grâce à un faisceau de densité électronique très élevée et un onduleur très long. Bien que le rayonnement SASE fournisse un faisceau de photons de luminosité très intense, ainsi qu'un haut degré de cohérence transverse, ses propriétés de cohérence temporelle sont limitées et d'importantes fluctuations statistiques sont induites. Le phénomène de SASE a été observé du domaine micro-ondes, à recemment l'X (0.15 nm) à LCLS (Stanford).

  • Dans la configuration « HGHG » (High Gain Harmonic Generation ou génération d'harmoniques à fort gain), une source laser cohérente extérieure intense est injectée dans un premier onduleur, appelé modulateur, accordé sur la longueur d'onde de cette source. Un second onduleur, appelé radiateur, dont les paramètres sont optimisés pour rayonner sur une harmonique du fondamental du premier onduleur, typiquement la 3ème ou 5ème, permet alors de générer un rayonnement intense à plus courte longueur d'onde. Il a été établi que le faisceau injecté a transmis ses propriétés de cohérence au rayonnement émis et a permis de diminuer la longueur de saturation donnant une source plus compacte. Cette configuration a également l'avantage, par rapport à ce dernier, de fournir une largeur de bande plus petite, une longueur d'onde centrale et une énergie de sortie plus stables, dépendant directement de celles de la source injectée.
  • Pour atteindre de plus courtes longueurs d'onde qu'en HGHG tout en gardant le haut degré de cohérence spatiale et surtout temporelle, l'injection externe d'harmoniques d'ordre élevée (HHG) se révèle être une solution pertinente. Cette source, qui génère des photons du VUV à l'XUV présente des propriétés remarquables de cohérence temporelle et spatiale ainsi qu'une courte durée d'impulsion (de la picoseconde à la dizaine de femtosecondes). En 2006 au Japon sur le prototype de l'accélérateur SCSS, l'expérience test a montré que le rayonnement injecté à 160 nm (harmonique 5 d'un Ti: Sa) pouvait être très fortement amplifié et de façon cohérente. Ce phénomène spectaculaire s'est accompagné de la génération intense d'harmoniques non linéaires LELs, de 54 nm à 23 nm.

Projets de LEL basé sur des électrons relativistes produits par laser

Le LOA bénéficie de compétences multiples en laser et électrons ainsi que d'installations de tout premier ordre, pour réaliser le tout premier LEL XUV-X mous "tout laser", en combinant son savoir en la génération d'électrons par plasma laser, la génération d'harmoniques d'ordre élevé et l'utilisation d'onduleur (collaboration Soleil) de taille relativement restreinte. Les paramètres actuels des faisceaux d'électrons générés par laser au LOA pourrait permettre dès demain avec un onduleur de moins de 5 m de produire un rayonnement LEL intense (microjoule et 10 fs) et totalement cohérent à 50 nm (200 MeV d'énergie de faisceau d'électrons). Bientôt, l'utilisation d'énergies d'électrons plus grandes, de l'ordre d'1 GeV, devrait permettre avec des longueurs d'onduleurs de l'ordre de 25 m de descendre jusque dans la fenêtre de l'eau. Dans un futur plus éloigné, des énergies de 5 GeV, par exemple obtenues avec le laser Apollon du projet francilien ILE, permettraient avec des onduleurs nettement plus imposants (environ 200 m) de fournir un rayonnement inférieur à l'angstrum de plusieurs centaines de microjoule.

 

ENSTA CNRS Ecole Polytechnique