Fig. 1a :Schéma de l'accélération directe des électrons dans un champ laser et de sa réalisation dans l'expérience. Crédit :Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
L'accélération directe contrôlée d'électrons dans des champs laser très puissants peut ouvrir la voie à des accélérateurs ultra-compacts. Une telle accélération directe nécessite une rectification et un découplage du champ laser électromagnétique oscillant des électrons de manière appropriée. Des chercheurs du monde entier tentent de relever ce défi. Dans des expériences à l'Institut Max Born, l'accélération laser directe des électrons peut maintenant être démontrée et comprise en détail théoriquement. Ce concept est une étape importante vers la création d'impulsions d'électrons relativistes et ultra-courtes dans des distances d'accélération très courtes inférieures à un millimètre. Les sources compactes d'électrons et de rayons X qui en résultent ont un large spectre d'applications en spectroscopie, analyse structurelle, sciences biomédicales et pour les nanotechnologies.
La façon dont les électrons peuvent être accélérés jusqu'à des énergies cinétiques relativistes dans des champs laser puissants est un problème fondamental dans la physique de l'interaction lumière-matière. Bien que les champs électromagnétiques d'une impulsion laser forcent un électron libre auparavant au repos à des oscillations à des vitesses extrêmement élevées, ces oscillations cessent de nouveau lorsque l'impulsion lumineuse est passée. Un transfert d'énergie net par une telle accélération directe d'une particule chargée dans le champ laser ne peut pas avoir lieu. Ce principe fondamental - souvent discuté dans les examens de physique - est valable pour certaines conditions aux limites de l'étendue spatiale et de l'intensité de l'impulsion laser. Seulement pour particulier, différentes conditions aux limites, les électrons peuvent en effet recevoir un transfert d'énergie net via l'accélération du champ laser puissant. Ces conditions peuvent être définies par ex. par focalisation de l'impulsion laser ou par la présence de forts champs électrostatiques dans un plasma.
À l'échelle mondiale, les scientifiques recherchent des solutions à la vitesse d'extraction des électrons de champs laser extrêmement puissants et à la manière d'obtenir des impulsions d'électrons courtes avec une densité de charge élevée via des impulsions laser ultra-courtes.
Dans les champs lumineux d'intensité relativiste (I> dix 18 W/cm 2 ) les électrons oscillent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. L'énergie cinétique correspondante atteint des valeurs de MeV à GeV (à I> dix 22 W/cm 2 . Des champs lumineux puissants sont réalisés en focalisant des impulsions laser ultra-courtes à haute énergie jusqu'à des zones de quelques micromètres. La distribution spatiale d'intensité qui en résulte permet déjà l'accélération des électrons jusqu'à des énergies cinétiques élevées. Ce processus est connu sous le nom d'accélération pondéromotrice. C'est un processus essentiel pour l'interaction entre les champs lumineux puissants et la matière. Diverses études théoriques, cependant, ont prédit que le nombre d'électrons et leur énergie cinétique peuvent être encore augmentés de manière significative par une accélération directe dans le champ laser, mais seulement si l'interaction électron-lumière est interrompue d'une manière bien adaptée. Ces considérations ont été le point de départ des expériences de Julia Braenzel et de ses collègues du Max Born Institute.
Fig. 1b :électrons détectés dans la direction de propagation du laser à partir d'une configuration cible simple (F1) et double feuille (F1F2), où le soncond foils agit comme un séparateur. Les feuilles de plastique utilisées avaient une épaisseur d'environ F1 =35 nm et F2 =85 nm. N e valeurs représentent les nombres d'électrons intégrés pour toute la plage de détection (0, 2-7, 5 MeV) par rapport à l'ouverture du spectromètre. Crédit :Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Dans les expériences au MBI, les électrons ont été découplés de l'impulsion lumineuse à un moment donné, en utilisant une feuille de séparation opaque pour la lumière laser mais capable de transmettre des électrons rapides. Nous avons pu montrer que cette méthode conduit à une augmentation du nombre d'électrons avec des vitesses élevées. En premier, une impulsion laser 70 TW Ti:Sapphire (2 J @ 35 fs) irradie une feuille cible mince de 30 à 100 nm constituée d'un polymère PVF. Dans la direction de propagation du laser, environ 109 électrons sont accélérés jusqu'à plusieurs MeV d'énergie via la force pondéromotrice. Au cours de cette interaction, la feuille est presque entièrement ionisée et transformée en plasma.
Pour des épaisseurs de feuille cible suffisamment minces inférieures à 100 nm, une fraction de la lumière laser incidente peut être transmise à travers le plasma. La lumière transmise commence à dépasser les électrons déjà émis dans cette direction. Cela correspond à une injection quasi-intrinsèquement synchronisée d'électrons lents dans l'émission, mais toujours un champ laser relativiste ( <8x10 18 W/cm 2 ). Si une deuxième feuille de séparation mince est placée à la bonne distance derrière la première, on observe une amplification du signal électronique pour un intervalle d'énergie particulier. La figure 1a) montre un schéma de l'évolution temporelle de l'expérience et la figure 1b) présente une comparaison directe de la distribution spectrale des électrons détectés pour une configuration à simple feuille et à double feuille, où la deuxième feuille agit comme un séparateur. Cette feuille est opaque pour la lumière laser mais est transparente pour les électrons rapides et permet donc un découplage des deux. Le moment auquel l'interaction entre les électrons et la lumière transmise est interrompue dépend de la distance entre les deux feuilles.
Les expériences menées dans le groupe de Matthias Schnürer démontrent qu'une amplification du signal électronique peut être obtenue et est maximisée pour une distance particulière. L'amplification disparaît pour les très grandes distances. De nombreuses mesures ainsi que des simulations numériques ont confirmé l'hypothèse que les électrons à haute énergie cinétique peuvent en effet être extraits du champ lumineux s'ils sont découplés de manière appropriée. Si les feuilles de séparation sont situées à une position optimisée, les électrons lents avec des énergies cinétiques inférieures à 100 keV sont accélérés à des énergies cinétiques environ dix fois plus élevées. Cet effet conduit à une concentration d'électrons dans un intervalle d'énergie étroit. Contrairement aux expériences utilisant le mécanisme différent de l'accélération du champ de sillage laser, où la production d'électrons GeV a déjà été démontrée, l'accélération laser directe démontrée ici peut être étendue jusqu'à des intensités laser élevées et des densités plasmatiques élevées. Au-delà de la compréhension fondamentale des interactions laser-matière, l'accélération laser directe démontrée dans ce travail est prometteuse pour la réalisation future de sources compactes d'électrons relativistes.
