L'installation européenne de laser à électrons libres à rayons X (XFEL), près de Hambourg, Allemagne, a été construit avec un objectif :fournir des impulsions lumineuses suffisamment courtes, assez lumineux, et d'une longueur d'onde suffisamment petite pour observer des processus qui seraient autrement trop rapides et/ou trop peu fréquents pour être mesurés en temps réel.

Sans de telles impulsions ultracourtes - et cela signifie des millionièmes de milliardièmes de seconde (femtosecondes) - les mesures sont limitées à un aperçu avant-après des interactions moléculaires. Six stations terminales différentes seront à la disposition des scientifiques du monde entier pour mener des expériences à l'aide du faisceau XFEL une fois qu'il sera pleinement opérationnel en 2017.

Pour effectuer ces mesures, l'équipe de recherche a développé une haute puissance, pulsé, laser optique synchronisé avec les impulsions XFEL et accordable à la fois en longueur d'onde et en durée d'impulsion pour répondre aux besoins de chacune des six expériences différentes en cours. Les caractéristiques de ce système laser optique polyvalent seront publiées dans un article de la revue Optique Express , de la Société d'optique (OSA).

"La véritable unicité de notre laser réside dans le fait qu'il correspond au schéma d'émission en rafale du XFEL européen, " a déclaré Max J. Lederer, scientifique principal, XFEL. « Il permet donc des expériences à la fréquence d'impulsion la plus élevée possible du XFEL avec des paramètres d'impulsion optique (énergie, durée d'impulsion) ne pouvant être obtenu qu'à de faibles taux de répétition à partir des systèmes Ti:Sapphire."

Ces jours, trouver un laser optique capable de produire des impulsions ultracourtes pour la recherche, tel qu'un laser titane-saphir (Ti:Sapph), n'est pas difficile. Mais trouver un tel laser qui puisse correspondre aux spécifications de puissance et de synchronisation des six expériences XFEL est difficile. "En d'autres termes, c'est le taux de répétition élevé et la puissance moyenne pendant les rafales qui font la différence, ", a déclaré Lederer.

Mais pourquoi une installation construite pour abriter l'un des lasers les plus grands et les plus avancés, besoin d'un autre laser ? En réalité, ce système laser supplémentaire fait partie intégrante de la réalisation des mesures projetées à l'échelle atomique. Les impulsions laser optiques servent à préparer des échantillons, en utilisant l'interaction avec lui comme première étape, en quelque sorte comme un contrôle, avant d'utiliser l'impulsion de rayons X pour sonder et étudier la dynamique inconnue. C'est principalement la partie "pompe" des expériences pompe-sonde pour lesquelles le laser est conçu.

"Le système laser est [construit] pour satisfaire le besoin d'un laser à pompe optique expérimental, synchronisé et adapté au schéma d'émission du XFEL européen. Le laser activera généralement les échantillons, suivi d'un sondage avec les impulsions de rayons X, ", a déclaré Lederer.

Le besoin d'accord du laser de pompe vient de chacune des six stations scientifiques abritant différentes expériences qui étudient divers types d'échantillons et phases de matière. Le laser optique offre cette possibilité de configuration via un certain nombre de techniques optiques qui exploitent les interactions lumière-matière pour obtenir l'énergie et la synchronisation précises des impulsions nécessaires.

Un exemple d'un tel processus est appelé conversion paramétrique qui fait référence à la conversion d'une particule de lumière en deux de la moitié de l'énergie, ou vice versa. "Pour une plus grande flexibilité expérimentale, la gamme spectrale de l'UV au THz sera rendue disponible grâce à des schémas de conversion paramétrique et de génération THz, ", a déclaré Lederer.

L'installation du premier laser a déjà commencé et Lederer et son équipe envisagent les capacités passionnantes de l'installation. Lederer a dit, "Nous tenons bien sûr à respecter le délai pour livrer le 'premier photon' avec le XFEL. Personnellement, J'ai hâte de voir le laser utilisé dans autant de découvertes scientifiques que possible à l'avenir."