Une étape importante pour la technologie laser : une énorme machine de recherche beaucoup plus petite et rentable

Une équipe de chercheurs présente un laser à électrons libres piloté par des faisceaux d'électrons accélérés par plasma et alimenté par des impulsions lumineuses supplémentaires.

07.12.2022 - Allemagne

Les impulsions lumineuses extrêmement intenses générées par les lasers à électrons libres (FEL) sont des outils polyvalents pour la recherche. En particulier dans le domaine des rayons X, ils peuvent être déployés pour analyser les détails des structures atomiques d'une grande variété de matériaux. Jusqu'à présent, les FEL tels que le XFEL européen en Allemagne sont basés sur des accélérateurs d'électrons conventionnels, ce qui les rend longs et coûteux. Une équipe internationale dirigée par le Synchrotron SOLEIL, en France, et le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), vient de réaliser une percée sur la voie d'une solution alternative abordable : ils ont pu démontrer l'effet laser FEL ensemencé dans le régime ultraviolet basé sur une technologie encore jeune - l'accélération laser-plasma.

Les lasers à électrons libres à rayons X comptent parmi les machines de recherche les plus puissantes, mais aussi les plus complexes au monde. Le principe : à l'aide de fortes ondes de radiofréquence, un accélérateur amène les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière. Les particules, regroupées en paquets, traversent ensuite l'"onduleur", un dispositif magnétique dont les champs alternent périodiquement et qui force les paquets d'électrons à slalomer. Les paquets se réorganisent alors en de nombreux groupes d'électrons plus petits, les micro-paquets, qui émettent ensemble des impulsions lumineuses extrêmement puissantes, semblables à celles d'un laser. Celles-ci peuvent ensuite être utilisées pour déchiffrer les propriétés inconnues des matériaux ou pour suivre des processus extrêmement rapides, comme les réactions chimiques qui se déroulent en quadrillionièmes de seconde.

Toutefois, le XFEL européen, qui coûte des milliards de dollars, et d'autres infrastructures similaires, présentent un inconvénient : "Elles sont longues de plusieurs centaines de mètres, voire de quelques kilomètres", a déclaré le professeur Ulrich Schramm, directeur de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR. "C'est pourquoi nous travaillons sur une technologie alternative pour rendre ces installations plus petites et plus rentables, et elles pourraient alors être plus proches des utilisateurs dans les universités et l'industrie à l'avenir." La base est une nouvelle technologie d'accélérateur encore en développement - l'accélération laser-plasma. "À l'aide d'un laser de haute puissance, nous envoyons des flashs lumineux courts et ultra-forts dans un plasma, qui est un gaz ionisé composé d'électrons chargés négativement et d'ions chargés positivement", explique le Dr Arie Irman, physicien du HZDR. "Dans le plasma, l'impulsion lumineuse génère alors une forte onde de champs électriques alternatifs, semblable au sillage d'un navire." Cette onde peut accélérer rapidement les électrons à une vitesse supérieure sur une très courte distance. En principe, cela pourrait réduire un accélérateur d'une centaine de mètres de long à une longueur bien inférieure à un mètre.

Un travail d'équipe réussi

En principe, les électrons sont accélérés depuis longtemps grâce à cette technique. Mais ce n'est que récemment, bien qu'à un stade encore précoce, qu'il a été possible d'envoyer ces paquets de particules rapides d'un accélérateur à plasma à travers un onduleur, puis de les convertir en flashs de lumière laser. Afin de générer pour la première fois une lumière laser FEL bien contrôlable pilotée par l'accélération du plasma, le HZDR s'est associé aux experts du synchrotron français SOLEIL. "Un accélérateur de plasma installé à Dresde, piloté par le laser de haute puissance DRACO, a délivré des paquets d'électrons rapides de haute qualité de faisceau", a décrit Marie-Emmanuelle Couprie, physicienne de SOLEIL. "Derrière, nous avons ensuite construit un onduleur ainsi que la ligne de faisceau de l'accélérateur associé, qui avait été préalablement optimisé pour les méthodes de transport du faisceau d'électrons, la génération du rayonnement de l'onduleur, la génération et la mise en forme des graines, y compris la question du chevauchement et les méthodologies sur plusieurs années dans le laboratoire français d'accélérateur de plasma Laboratoire d'Optique Appliquée à Palaiseau conjointement avec le PhLAM à Lille."

Pour générer des flashs laser FEL dans le régime ultraviolet (UV), les chercheurs ont dû résoudre plusieurs problèmes essentiels. "Nous devions produire des grappes de particules qui contiennent des quantités copieuses d'électrons", explique Irman. "En même temps, il était important que ces électrons possèdent des énergies aussi égales que possible". Afin d'empêcher les grappes d'électrons de diverger trop rapidement, une astuce raffinée a été utilisée : la lentille dite de plasma. En outre, l'équipe a déployé une méthode appelée "ensemencement" : en synchronisation avec les grappes d'électrons, elle a envoyé des impulsions de lumière laser externe dans l'onduleur, ce qui est crucial pour accélérer le processus FEL et a permis d'améliorer la qualité des flashs laser FEL.

Une percée dans la technologie laser

Grâce à cette configuration, l'équipe a enfin pu atteindre son objectif : comme prévu, la démonstration du FEL piloté par plasma a généré des flashs laser UV ultra-courts. "Depuis 15 ans, les gens de la communauté de la physique des accélérateurs avancés rêvaient de réaliser un laser à électrons libres comme celui-ci", s'enthousiasme Ulrich Schramm. "Vous pouvez imaginer à quel point nous sommes heureux d'y être parvenus à Dresde". Pour Arie Irman aussi, un rêve est devenu réalité : "Un laser à électrons libres piloté par plasma a toujours été considéré comme l'une des étapes les plus importantes de notre domaine. Grâce à notre expérience, nous avons maintenant réalisé d'énormes progrès."

Avant qu'un FEL à plasma puisse être mis en pratique, il reste encore plusieurs défis à relever. Par exemple, si l'installation de Dresde a pu générer des impulsions UV, la recherche nécessite des flashs de rayons X de haute intensité - pour lesquels les électrons devraient être accélérés à des énergies beaucoup plus élevées. "Cela est déjà démontré en principe avec l'accélération par plasma, mais jusqu'à présent, la qualité des grappes d'électrons est encore trop faible et trop instable pour un FEL à rayons X", a déclaré Schramm. "Mais avec une nouvelle génération de lasers à haute puissance, nous espérons résoudre ce problème." Si l'entreprise réussit, les lasers à électrons libres pourraient à l'avenir trouver place dans les sous-sols de l'institut - et pourraient donc être accessibles à un nombre d'équipes de recherche bien plus important qu'aujourd'hui.

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