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Univ. Paris-Saclay
10 mars 2008
Harmoniques cohérentes du Laser à Electrons Libres générées à partir d'harmoniques produites dans les gaz.
Contact : David Garzella logo_tutelle logo_tutelle 

G. Lambert1,2,3, T. Hara2,4, D. Garzella1, T. Tanikawa2, M. Labat1,3, B. Carre1, H. Kitamura2,4, T. Shintake2,4, M. Bougeard1, S. Inoue4, Y. Tanaka2,4, P. Salieres1, H. Merdji1, O. Chubar3, O. Gobert1, K. Tahara2, 3

1Service des Photons, Atomes et Molécules, DSM/DRECAM, CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
2RIKEN SPring-8 Centre, Harima Institute, 1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5148, Japan
3Groupe Magnétisme et Insertion, Synchrotron Soleil, L'Orme des Merisiers, Saint Aubin, 91192 Gif-sur-Yvette, France
4XFEL Project Head Office/RIKEN, 1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5148, Japan

 

Obtenir un faisceau laser pulsé intense d'impulsions femtosecondes dans le domaine des rayons X demande encore aujourd'hui de nombreux développements scientifiques et technologiques. De tels faisceaux de bonne qualité spectrale et temporelle sont déjà obtenus à partir de la génération d'harmoniques dans les gaz, mais leur puissance reste aujourd'hui relativement modeste. Il vient d'être montré qu'un dispositif de laser à électrons libres (LEL) peut être utilisé pour amplifier considérablement (>x1000) ce type d'impulsions, tout en préservant leurs qualités spectrales et temporelles.

Les Lasers à Electrons Libres (LELs) sont des sources de lumière cohérente basées sur l'interaction entre les paquets d’électrons relativistes issus d’un accélérateur et la lumière émise par ces mêmes électrons lors de leur traversée d'un onduleur. Les LELs fournissent naturellement des impulsions courtes (sub-picoseconde), intenses (puissance crête de l’ordre du GW), accordables, dans une large bande spectrale, allant des micro-ondes (λ~mm) à l’extrême Ultra-Violet, ou XUV (λ~10 nm). Aux courtes longueurs d’onde, les LELs sont basés sur un accélérateur linéaire ou LINAC. Cependant, le rayonnement produit, appelé émission spontanée auto-amplifiée (Self Amplified Spontaneous emission : SASE), bien que hautement brillant, ne possède qu'une cohérence longitudinale partielle. En effet, à cause du caractère stochastique du démarrage du processus SASE à partir du bruit, les profils temporel et spectral de chaque impulsion présentent une structure interne avec d’importantes fluctuations statistiques (ou spikes).

 
Harmoniques cohérentes du Laser à Electrons Libres générées à partir d'harmoniques produites dans les gaz.

Schéma de l'expérience : un laser Ti:Saphir (800 nm, 20 mJ, 100 fs FWHM, 10 Hz) est focalisé (lentille de focale f=7 m) dans une cellule remplie de xénon, permettant de générer des harmoniques du faiseau incident. A travers un périscope et un télescope (miroirs en CaF2), le faisceau associé à la 5ème harmonique (λ = 160 nm) est sélectionné spectralement, refocalisé et injecté dans le LEL. Ce faisceau est temporellement et spatialement superposé avec le faisceau d'électrons (150 MeV, 1 ps FWHM, 10 Hz) dans les deux sections d'onduleur, 1 et 2, accordées sur l'harmonique sélectionnée.

Harmoniques cohérentes du Laser à Electrons Libres générées à partir d'harmoniques produites dans les gaz.

Comparaison entre l'émission LEL amplifiée (Seeded), le SASE non injecté (Unseeded) et l'impulsion harmonique dans les gaz (HHG) à 160 nm, injectée dans l'onduleur. Distributions 2D spatiale (échelle verticale) et spectrale (axe horizontal) sur la caméra CCD d'un spectromètre. Des coupes 1D spatiales (sur la droite) et spectrales (en haut) sont aussi représentés. L'énergie injectée était de 0.53 nJ et seule la première section d'onduleur a été utilisée pour l'amplifier d'un facteur 2600.

L'idée originale a été "d’initier" le processus d’amplification à partir de l’injection des harmoniques produites dans un gaz. Connu et développé à l'IRAMIS (ex DRECAM) depuis 1989, ce type de source délivre des harmoniques de très courte durée d'impulsion (<100 fs) avec une très grande cohérence spatiale et temporelle. Elle permet de générer des photons du VUV à l’XUV, atteignant ainsi des ordres harmoniques bien plus élevés que ceux obtenus dans les cristaux. Il devient alors possible d’injecter un LEL à ces très courtes longueurs d’onde.

Cette expérience tout à fait novatrice, fruit d’une collaboration CEA-SPAM/SOLEIL/RIKEN et qui constitue la thèse de Guillaume Lambert, a été réalisée au Japon sur le prototype de l’accélérateur SCSS (source SASE compacte de SPring-8). Sur ce LINAC les paquets d’électrons sont accélérés jusqu’à 150 MeV, pour une durée d'impulsion de 1 ps à une cadence de 10 Hz. Le faisceau d'harmonique sélectionné est superposé transversalement, spectralement et temporellement avec les paquets dans un onduleur sous vide (deux sections de 4,5 m de long) pour être amplifié.

Le résultat que nous présentons ici est la forte amplification cohérente de la 5ème harmonique d’un laser Ti:Sa, à 160 nm, générée dans une cellule de gaz. Ce phénomène spectaculaire s’accompagne aussi de la génération d’harmoniques non linéaires du LEL, qui sont à la fois intenses et cohérentes et s’étendent de 80 nm jusqu’à 23 nm. Le rayonnement LEL amplifié atteint ainsi une intensité de plusieurs ordres de grandeur supérieure à la fois à celle du rayonnement injecté (x 2600) et à celle obtenue pour un pur processus de type SASE.

Les distributions transverse et spectrale sont quasi-gaussiennes et la longueur de saturation du LEL est deux fois plus courte comparée à celle d'une émission SASE, ce qui devrait permettre de réduire l’encombrement des futures installations. Finalement, à la vue du faible niveau d’injection requis, une telle amplification couplée à des schémas de type "Harmoniques Non Linéaires" devrait permettre de générer des rayonnements X-mous jusqu’à 1 nm (> 1 KeV d’énergie) totalement cohérents et intenses, ayant des énergies par impulsion que l'on peut espérer atteindre le microjoule.

Ce résultat, première au niveau mondial, valide entièrement et clairement le concept d’injection du LEL par les harmoniques d’ordre élevé dans les gaz, comme source de lumière de quatrième génération basée sur un accélérateur, concept à la base du projet "ARC EN CIEL" soutenu par SOLEIL.


Injection of harmonics generated in gas in a free-electron laser providing intense and coherent extreme-ultraviolet light,
G. Lambert, T. Hara, D. Garzella, T. Tanikawa, M. Labat, B. Carre, H. Kitamura, T. Shintake, M. Bougeard, S. Inoue, Y. Tanaka, P. Salieres, H. Merdji, O. Chubar, O. Gobert, K. Tahara, M.-E. Couprie, Nature Physics,  Published online: 9 March 2008.

Voir aussi : 

- PhysicsWorld, Free-electron laser benefits from 'seed' light, Mar 12, 2008.

- Nanotechweb, Free-electron laser to probe cell behaviour
Seeding technique could open up the "water window" for studying biological samples (articles visibles sur inscription)

 

Maj : 18/03/2010 (992)

 

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