Rayons X ultrabrefs

Le développement de sources intenses de rayonnement X de durée d’impulsion femtoseconde (1 fs = 10-15 s) ou attoseconde (1 as = 10-18 s) est un objectif de recherche majeur dans de nombreuses disciplines scientifiques. Outre l’étude proprement dite des sources (la physique des hautes énergies, les accélérateurs, les grands instruments synchrotrons et laser à électron libre, la physique des plasmas), elle ouvre surtout l’accès à des régimes d’étude de la matière totalement vierges. On peut citer : 

  • la création de nouveaux états de la matière (matériaux soumis à des intensités de rayonnement X élevées avec applications en physique des plasmas de fusion et de la matière dense et chaude fortement corrélée, en astrophysique, en géophysique) ;
  • la dynamique de la matière jusqu’à des résolutions temporelles ultimes pour effectuer un formidable zoom spatial et temporel sur les évènements atomiques et électroniques (révéler et caractériser de manière directe les processus transitoires élémentaires en physique atomique et moléculaire, physique du solide, biologie et chimie) ;
  • l’imagerie à haut contraste qui, avec des résolutions spatiales inégalées, ouvre de nouvelles perspectives dans le biomédical et dans l’industrie de la microélectronique.

 

          

 

Dans cet environnement, le développement des sources X issues de l’interaction laser-plasma joue un rôle moteur et offrent des propriétés uniques. Leur compacité potentielle, leur parfaite synchronisation avec un laser intense ou toutes sources lumineuses ou particulaires générées par le laser, leur brièveté extrême (jusqu’à la zeptoseconde, 1 zs = 10-21 s) et leur taille de source sub-micrométrique, en font des sources uniques à fort potentiel d’application et de dissémination académique et sociétal.

La physique de ces sources est très riche. Elle est basée sur la manipulation des électrons libres ou liés du plasma avec les champs électriques du laser ou du plasma : excursion et recombinaison sur l’atome parent (génération d’harmonique dans les gaz), ionisation électronique et inversion de population dans les niveaux d’énergie ionique de systèmes atomiques (laser X), réflexion relativiste du laser sur un plasma d’électrons oscillant (harmonique dans les solides), piégeage d’électrons dans une bulle de plasma (synchrotron par laser), oscillation relativiste d’électrons libres dans le champ électromagnétique laser (diffusion Thomson non linéaire et Compton), déferlement d’onde plasma électronique (rayonnement Ka).
 

 

Principe de la source de rayonnement X bétatron (micro-synchrotron plasma). Les électrons piégés dans la cavité ionique dans le sillage du laser qui se propage dans un gaz, effectuent des oscillations dues aux forces électrostatiques générées par la séparation de charge. Ces oscillations génèrent du rayonnement à large bande spectrale dans le domaine du rayonneent X car les périodes d'oscillations sont de l'ordre d'une centaine de micromètres pour des énergies d'électrons de quelques centaines de MeV.

 

 

Le LOA tient un rôle de leadership marqué au niveau international sur plusieurs sources. Trois groupes de recherche du laboratoire ont des activités dans ce domaine : le groupe FLEX, SPL et PCO. Nous avons été pionnier récemment dans la mise en évidence de nouvelles sources X produites par l’interaction laser-gaz en régime relativiste, et notamment réalisé un micro-synchrotron par laser. Le LOA a également démontré pour la première fois la technique d’injection efficace dans un système laser X, et l’ « auto-compression » par filamentation dans un gaz d’impulsions laser à une longueur d’onde infrarouge jusqu’à des durées inférieures à 3 cycles optiques afin d’exploiter pleinement les lois d’échelle favorables gouvernant la génération d’harmoniques dans les gaz (génération d’impulsions attosecondes isolées ultrabrèves à courte longueur d’onde par exemple).
 

 

Spectre de rayonnement laser XUV injecté (gauche) et spectre de rayonnement harmonique obtenu dans les gaz (droite). 

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