Accélérer des électrons à haute énergie avec des impulsions de lumière laser

Deux équipes du CEA LIDYL et du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) ont réussi à mettre en évidence pour la première fois l'accélération d'électrons “dans le vide”, par un faisceau laser intense. Cette observation montre qu'il est possible de profiter des très fortes amplitudes de champ électrique des impulsions de lumière laser femtoseconde, que l'on sait aujourd'hui produire, pour accélérer des particules à haute énergie sur de faibles distances.

En concentrant la lumière sur des durées femtosecondes (10^-15 s), les impulsions laser peuvent atteindre des puissances lumineuses instantanées considérables (~ 1 PW, soit 10¹⁵ W) et donc des amplitudes extrêmement élevées du champ électrique associé (~ TéraV/m, soit 10¹³ V/m). Comme les vagues en haute mer ne peuvent faire avancer les navires, ce champ, par nature oscillant, ne peut accélérer à de très hautes énergies des particules chargées. Mais comme le surfeur qui va chercher la vague et en avançant avec elle peut continûment profiter de sa pente, l'injection d'électrons relativistes (avec une vitesse très proche de celle de la lumière) dans le faisceau laser peut théoriquement permettre l'accélération recherchée, en profitant pleinement des champs électriques gigantesques associés aux impulsions laser ultracourtes.

De nombreuses équipes de par le monde ont essayé de mettre en évidence ce phénomène, sans pouvoir en apporter la preuve définitive. Cette accélération “dans le vide” de particules chargées par un champ laser intense vient d'être expérimentalement démontrée par une collaboration entre une équipe de l’IRAMIS et le Laboratoire d’Optique Appliquée (ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau. L'interaction de l'impulsion laser avec une cible solide (miroir plasma) permet d'obtenir l'injection idéale d'électrons qui, surfant sur l'impulsion laser, atteignent des énergies de l'ordre de 10 MeV sur une distance de 80 µm. Cette première ouvre ainsi la perspective d’utiliser des faisceaux laser intenses pour réaliser des accélérateurs compacts d'électrons de très haute énergie.

En réduisant la durée de leurs impulsions lumineuses à quelques dizaines de femtosecondes, les lasers ultrabrefs permettent aujourd’hui d’atteindre des puissances crêtes extrêmement élevées de 100 TW (10¹⁴ W) à 1 PW (10¹⁵ W), la puissance lumineuse moyenne restant modeste (dans la gamme du W). Une fois focalisés sur quelques microns, ces faisceaux permettent d'atteindre de très grands éclairements lumineux (> 10²⁰ W/cm²), et par conséquent, des champs électriques avec une amplitude considérable, dans la gamme des dizaines de TéraV/m (10¹³ V/m).

L'amplitude de ces champs électriques oscillants est donc supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des champs radiofréquences (typiquement quelques MV/m), utilisés actuellement pour accélérer les particules dans les grands accélérateurs. Ainsi, les chercheurs espèrent un jour parvenir à utiliser des lasers ultra-intenses pour produire des faisceaux de particules de haute énergie (du GeV au TeV) sur des distances de quelques mètres seulement, avec une qualité comparable à celle des très grands accélérateurs conventionnels.

Cependant, des particules chargées de faible énergie initiale vont simplement osciller sous l'effet d'un champ oscillant. Durant les 30 dernières années, de multiples approches ont été étudiées, théoriquement et expérimentalement, pour résoudre ce problème. La plus avancée aujourd’hui est basée sur l‘excitation par laser d’ondes électrostatiques de sillage dans des plasmas peu denses [1], qui permet de produire des faisceaux d’électrons de 4 GeV en quelques centimètres seulement (champ accélérateur de 100 GV/m).

Pour exploiter les champs extrêmes des impulsions laser, une idée clef proposée de longue date par les théoriciens (cf. [2,3] par exemple) est de faire interagir dans le vide, un faisceau de particules relativistes avec un faisceau laser. Du fait de l’effet Doppler associé à leur mouvement, les particules “voient” un champ quasi-constant. En étant ainsi injectées dans le champ laser de façon appropriée, elles peuvent être continûment accélérées par la lumière, en ‘surfant’ un unique front d’onde laser. On parle alors d’accélération par laser dans le vide (Vacuum Laser Acceleration – VLA). En revanche, les particules injectées de façon non idéale vont simplement osciller dans le champ laser, pour être rapidement éjectées du faisceau, sans gain d’énergie notable.

Figure 1 : Principe de l’expérience. a) Le front d’une impulsion laser ultra-intense et ultra-brève focalisée sur une cible solide crée un plasma dense en surface, capable de réfléchir le reste de l’impulsion de façon spéculaire. b) Le champ laser induit l’émission d’un faisceau d’électrons relativistes, qui interagissent avec l’onde laser réfléchie. La déflection des électrons par le champ laser est observée sur ces trajectoires issues de simulations de type Particle-In-Cell (code PIC). © F. Quéré – J. Faure, CEA-CNRS.

Cette observation expérimentale a été obtenue, pour la première fois par une expérience sur le laser UHI100 (puissance crête 100 TW, durée d’impulsion 25 fs, 10 Hz, 800 nm), menée par une collaboration entre une équipe de l’IRAMIS et le Laboratoire d’Optique Appliquée (ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau. L’idée clef est d’utiliser un miroir plasma, qui a la propriété de réfléchir le champ laser tout en générant des électrons relativistes : le front montant de l’impulsion laser est suffisamment intense pour créer un plasma dense à la surface d’une cible initialement solide (Figure 1). Le plasma créé présente une interface abrupte avec le vide et se comporte comme un miroir usuel. Il réfléchit ainsi l’ensemble du reste de l'impulsion laser ultra-intense de façon spéculaire.

Dans des conditions d’interaction extrêmement bien contrôlées l’impulsion laser arrache au miroir plasma des jets d’électrons relativistes sous forme de paquets attosecondes (Figure 1-a). Les simulations numériques montrent que ces électrons sont émis autour d’une phase donnée du champ laser, et se déplacent initialement quasiment dans la direction du faisceau laser réfléchi (Figure 1b). Toutes les conditions sont donc réunies pour une injection optimale d'électrons dans le faisceau laser et une accélération par le mécanisme VLA !

Expérimentalement, les mesures du profil spatial du faisceau d’électrons émis (voir figure 2), et de sa distribution d’énergie (Fig. 2b) permettent d'identifier clairement les électrons accélérés par VLA de façon optimale, que l'on distingue clairement de ceux qui ont simplement oscillé dans le champ laser.

Dans cette expérience, les électrons initialement éjectés du plasma avec une énergie de 1.5 MeV, ont été accélérés par VLA à une énergie finale de 10 MeV sur une distance d’environ 100 µm, soit un champ accélérateur moyen de 100 GV/m, comparable à ceux obtenus actuellement dans les accélérateurs par sillage laser. Cette première démonstration de principe ouvre la voie à l’étude expérimentale de ce processus d’accélération et l'expérience peut encore être très largement optimisée, en ajustant les caractéristiques du faisceau laser ou en la transposant à des lasers de plus haute puissance, tel que le laser PW APOLLON du plateau de Saclay, où des impulsions laser d'énergies beaucoup plus élevées seront produites.

Figure 2 : Profil du faisceau d’électrons issu du miroir plasma. Les couleurs reflètent le nombre d’électrons émis dans une direction donnée. Déviés du fait de la polarisation transverse de l’impulsion laser, les électrons subissent une accélération de 1.5 MeV à 10 MeV sur une distance de 80 µm. Le faisceau d’électrons de haute énergie est bien visible au centre de la figure (tache rouge), tandis que peu d’électrons sont émis dans la direction du faisceau lumineux réfléchi (tache blanche). © F. Quéré – J. Faure, CEA-CNRS.

Références :

[1] Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators,
E. Esarey, C. B. Schroeder, and W. P. Leemans Rev. Mod. Phys. 81, 1229 (2009)

[2] Nonlinear ponderomotive scattering of relativistic electrons by an intense laser field at focus,
F. V. Hartemann, S. N. Fochs, G. P. Le Sage, N. C. Luhmann, Jr., J. G. Woodworth, M. D. Perry, Y. J. Chen, and A. K. Kerman, Phys. Rev. E 51, 4833–4843 (1995).

[3] Laser acceleration of electrons in vacuum,
E. Esarey, P. Sprangle and J. Krall, Phys. Rev. E 52, 5443–5453 (1995).

[4] Experimental observation of electrons accelerated in vacuum to relativistic energies by a high-intensity laser,
G. Malka, E. Lefebvre, and J. L. Miquel, Phys. Rev. Lett. 78 3324 (1997),

[5] Laser-accelerator injector based on laser ionization and ponderomotive acceleration of electrons,
C. I. Moore, A. Ting, S. J. McNaught, J. Qiu, H. R. Burris, and P. Sprangle, Phys. Rev. Lett. 82 1688 (1999)

[6] Generation of a beam of fast electrons by tightly focusing a radially polarized ultrashort laser pulse,
S. Payeur, S. Fourmaux, B. E. Schmidt, J. P. MacLean, C. Tchervenkov, F. Légaré, M. Piché and J. C. Kieffer, Appl. Phys. Lett. 101 041105 (2012),

[7] First observation of acceleration of electrons by a laser in a vacuum,
D. Cline, L. Shao, X. Ding, Y.Ho, Q. Kong, P. Wang, J. Mod. Phys. 4, 1–6 (2013).

[8] Direct laser acceleration of electrons in free-space
S. Carbajo, E. A. Nanni, L. Jie Wong, R. J. Dwayne Miller, F. X. Kärtner, arXiv:1501.05101v1

Vacuum laser acceleration of relativistic electrons using plasma mirror injectors,
M. Thevenet , A. Leblanc , S. Kahaly , H. Vincenti , A. Vernier , F. Quéré and J. Faure, Nature Physics, 12 (2016) 355.

Le communiqué CEA-CNRS.

Contact CEA-IRAMIS : Fabien Quéré (LIDYL/UHI).

Contact CNRS-LOA : Jérôme Faure.

Collaboration :

A. Leblanc, S. Kahaly, F. Quéré, CEA IRAMIS/LIDyL.
M. Thevenet, H. Vincenti, A. Vernier, J. Faure, Laboratoire d’Optique Appliquée, UMR7639 LOA, ENSTA Paristech, CNRS, Ecole Polytechnique, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France.