Accélération efficace d’électrons dans le vide avec un champ laser longitudinal

Les chercheurs d'une collaboration entre le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA, ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau et l'équipe “Physique à haute intensité” de l'IRAMIS/LIDYL sont parvenus pour la première fois à accélérer des électrons par laser dans le vide (Vacuum Laser Acceleration – VLA) jusqu'à des énergies relativistes en utilisant un champ électrique longitudinal. Pour parvenir à ce résultat, la polarisation linéaire habituellement utilisée dans les expériences a été convertie en polarisation radiale, qui possède une structure idéale pour l'accélération par laser dans le vide et permet d'obtenir des faisceaux d'électrons mieux collimatés. Ces expériences, combinées à des simulations de pointe en trois dimensions, ont permis une compréhension fine des mécanismes physiques en jeu et des optimisations à réaliser lors des futures expériences. Ces résultats montrent que l'accélération par laser dans le vide est une voie prometteuse pour générer de façon compacte des faisceaux d'électrons relativistes de très bonne qualité et de durée femtoseconde.

Les faisceaux lasers femtosecondes sont aujourd'hui si intenses (> 10¹⁸ W/cm²) qu'ils peuvent déplacer des électrons à des vitesses relativistes. Dès lors, les chercheurs ont essayé pendant les dernières décennies d'utiliser les champs électriques intenses de ces lasers (~ 10¹³ V/m) pour directement accélérer des électrons dans le vide (Vacuum Laser Acceleration – VLA) sur des distances très courtes [1-4]. Cependant, le champ électrique du faisceau laser étant par nature oscillant, l'enchainement des phases accélératrices et décélératrices tend à faire osciller sur place les électrons, avec de faibles échanges d'énergie avec la lumière. En 2015 cette difficulté a été surmontée par une collaboration entre le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA, ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau et une équipe de l'IRAMIS/LIDYL, qui a abouti à la première mise en évidence expérimentale d'accélération par laser dans le vide [5] (voir aussi le précédent fait marquant de 2015 : “Accélérer des électrons à haute énergie avec des impulsions de lumière laser”). La clef pour parvenir à ce résultat a été l'utilisation d'un miroir plasma, qui permet de réfléchir le laser tout en injectant des électrons relativistes dans l'impulsion laser réfléchie. Au lieu d'osciller dans le champ laser, ces électrons ont une vitesse initiale suffisamment grande pour rester dans la phase accélératrice du laser pendant toute l'interaction dans le vide, ce qui permet un échange d'énergie efficace du faisceau laser vers les électrons.

Mais une limitation fondamentale de l'accélération par laser dans le vide restait encore à résoudre : le champ électrique du faisceau est généralement perpendiculaire à sa direction de propagation (polarisation transverse), ce qui signifie que les électrons sont déviés de l'axe optique au fur et à mesure de leur accélération. Au final, les faisceaux d'électrons accélérés ont une dispersion angulaire trop élevée pour être utilisés efficacement. Pour surmonter cette difficulté, les chercheurs ont eu l'idée de mettre en forme spatialement les impulsions laser afin d'obtenir un champ radialement polarisé (voir figure 1-a). Cette structure du champ électromagnétique est très attractive pour l'accélération par laser dans le vide [6], car les champs transverses s'annulent autour de l'axe optique, tandis qu'un champ électrique longitudinal de forte amplitude apparait.

Une campagne expérimentale a été menée avec le laser UHI100 du CEA. Pour réaliser ces expériences, la polarisation linéaire délivrée par le système laser a été convertie en polarisation radiale par une lame de phase à huit quadrants, comme illustré sur la figure 1(b). Le faisceau polarisé radialement ainsi obtenu est ensuite focalisé sur un miroir plasma, de manière à injecter des électrons dans l'impulsion laser réfléchie (comme cela avait été fait en 2015 en polarisation linéaire). Comme on peut le voir sur la figure 2, cette accélération longitudinale permet comme espéré de réduire de 50% la divergence angulaire du faisceau d'électrons obtenu. Ces résultats montrent que le champ électrique longitudinal du faisceau polarisé radialement permet effectivement d'accélérer efficacement des électrons dans le vide dans la direction de propagation du laser, ce qui constitue la première observation expérimentale “d'accélération longitudinale par laser dans le vide à des énergies relativistes”.

Des simulations de pointe en trois dimensions de ces expériences ont été réalisées en utilisant le code Warp+PICSAR (développé en collaboration entre le CEA-IRAMIS/LIDYL et le LBNL). La combinaison des résultats expérimentaux et numériques a permis de comprendre finement la physique complexe de l'interaction entre un miroir plasma et un laser polarisé radialement de très haute intensité. Cette compréhension permet notamment d'identifier clairement les points limitants de cette première campagne expérimentale, qui pourront être améliorés afin d'optimiser les futures expériences d'accélération par laser dans le vide. Deux points principaux devront être considérés :

1. Un grand soin devra être pris pour générer des impulsions lasers polarisés radialement de très bonne qualité. En effet, il a été observé que les propriétés du faisceau d'électrons obtenus sont très sensibles aux fluctuations du champ laser incident.
2. Les futures expériences devront être réalisées en incidence normale. L'incidence normale permet à la fois d'injecter les électrons en position spatiale optimale pour l'accélération dans le vide (proche de l'axe optique) et de mieux préserver la structure de la polarisation radiale lors de la réflexion du laser sur le miroir plasma.

Les simulations réalisées dans ces conditions optimisées montrent que l'accélération par laser dans le vide est une voie prometteuse pour générer de façon compacte des faisceaux d'électrons relativistes de très bonne qualité et de durée femtoseconde. De tels faisceaux seront particulièrement utiles pour élaborer de nouvelles expériences de science ultrarapide.

Références :

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

[2] “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).

[3] “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).

[4] “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).

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

[6] “Direct electron acceleration with radially polarized laser beams”
C. Varin, S. Payeur, V. Marceau, S. Fourmaux, A. April, B. Schmidt, P. L. Fortin, N. Thiré, T. Brabec, F. Légaré, J. C. Kieffer, and M. Piché, Appl. Sci. 3, 70 (2013).

[7] “Interaction of ultra-intense radially polarized laser pulses with plasma mirrors”
N. Zaïm, D. Guénot, L. Chopineau, A. Denoeud, O. Lundh, H. Vincenti, F. Quéré, and J. Faure,
Phys. Rev. X 10 (2020) 041064

Voir aussi le fait marquant IRAMIS/LIDYL 2015 : “Accélérer des électrons à haute énergie avec des impulsions de lumière laser“.

Sur le site du LOA : “Electron acceleration using radially polarized laser pulses“.

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Contact CEA-IRAMIS : Henri Vincenti (LIDYL/PHI)

Contact CNRS-LOA : Jérôme Faure (CNRS-LOA/APPLI)

Collaboration :

• L. Chopineau, A. Denoeud, H. Vincenti, F. Quéré, Université Paris-Saclay, CEA IRAMIS/LIDyL/PHI, Centre CEA Saclay, France
• N. Zaïm, D. Guénot, J. Faure, Laboratoire d’Optique Appliquée, UMR7639 LOA, ENSTA Paristech, CNRS, Ecole Polytechnique, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France.