Aligner une séquence d'amplificateurs et de miroirs avec une précision aussi fine qu'un cheveu sur une table ancrée à un bloc d'acier profondément sous terre, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) ont produit un puissant laser vert. La lumière, le laser vert de puissance moyenne la plus élevée jamais générée par un seul laser à fibre, sera cruciale pour les expériences de physique nucléaire au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire.

"Lorsque le feu vert frappe une cible à 27 mètres en aval de cette table, il générera des impulsions d'électrons nécessaires pour refroidir les faisceaux d'ions au RHIC pour les maintenir en collision, " a déclaré le physicien de Brookhaven Zhi Zhao, qui a construit le système laser et est l'auteur principal d'un article décrivant ses attributs dans Optique Express , un journal de l'Optical Society of America. En plus du refroidissement des faisceaux d'ions au RHIC, un tel laser vert de haute puissance pourrait également avoir des applications dans le traitement des matériaux, usinage laser, et générer d'autres lasers.

Utiliser des électrons pour refroidir des faisceaux d'ions

Les taux de collision élevés au RHIC génèrent des tonnes de données pour le 1, 000 physiciens nucléaires qui viennent à cette installation d'utilisateurs du DOE Office of Science pour étudier les détails complexes des éléments constitutifs de la matière. Les collisions réduisent les éléments constitutifs à leur forme la plus primitive :une soupe de particules fondamentales qui imite les conditions de l'univers primitif. Mais alors que les ions circulent dans les tunnels de 2,4 milles de circonférence du RHIC, ils ont tendance à chauffer et à s'écarter, diminuant les chances que des collisions se produisent.

"La diffusion intra-faisceau provoque la dispersion et la perte des ions, donc le faisceau ne survit pas, " a déclaré Michiko Minty, physicien de l'accélérateur RHIC, co-auteur de l'article et chef du projet de développement et d'intégration de ce laser dans les opérations du collisionneur RHIC.

Le chauffage est un problème particulier lorsque les faisceaux d'ions circulent à des énergies relativement faibles - dans une plage que les scientifiques du RHIC utilisent pour étudier des aspects intéressants de la façon dont la soupe primordiale se transforme en protons et neutrons plus familiers. Les physiciens du RHIC ont donc exploré des moyens d'injecter périodiquement un flux d'électrons relativement froids pour évacuer une partie de la chaleur des ions.

"L'intérêt du refroidissement électronique est d'arrêter la propagation des paquets d'ions pour maximiser le taux de collision, " dit Minty.

Le refroidissement électronique a été un succès dans d'autres accélérateurs de particules. Mais au RHIC, les physiciens explorent de nouvelles stratégies pour générer des faisceaux d'électrons à très hautes énergies électroniques (milliards d'électrons-volts), ce qui nécessite d'utiliser une accélération radiofréquence linéaire de paquets énergétiques.

"Nous devons faire des paquets d'électrons qui se chevauchent avec les paquets d'ions, et les paquets d'ions se répètent. Nous voulons donc générer un ensemble de trains d'impulsions d'électrons qui se propagent avec les ions afin que l'énergie des ions puisse être transférée aux électrons, faire rétrécir le faisceau d'ions, " dit Minty.

L'idée est d'utiliser les impulsions d'un laser pour frapper un matériau photoémissif - un matériau qui émet des électrons lorsqu'il est frappé avec la bonne longueur d'onde, ou couleur, de lumière à l'intérieur d'un canon à électrons à photocathode. Dans le cas de la photocathode installée dans le canon à électrons du RHIC, la couleur magique est le vert.

(Lumière infrarouge, lumière verte, 1, 2, 3 !

Pour donner le feu vert, l'équipe de Brookhaven a commencé avec quelque chose d'invisible, un laser "seed" infrarouge (IR) à une puissance relativement faible. Ils envoient des impulsions modulées de cette lumière infrarouge invisible à travers une série de fibres optiques pour amplifier la puissance.

Lorsque la lumière d'un laser « pompe » IR supplémentaire pénètre dans la fibre, il excite des électrons dans le matériau tapissant la fibre. Lorsque ces électrons se détendent pour revenir à leur "état fondamental, " ils émettent des photons de lumière à la longueur d'onde IR, parfaitement synchronisé avec les ondes IR de départ, augmentant progressivement la force du signal dans plusieurs étages d'amplificateurs à fibre.

Une fois la puissance souhaitée atteinte, le laser infrarouge heurte un cristal à "doublement de fréquence".

"Quand deux photons de lumière infrarouge frappent le cristal, il émet un photon de longueur d'onde plus courte, " expliqua Zhao. " Le doublement de fréquence réduit essentiellement la longueur d'onde de moitié, changer l'entrée IR en lumière verte visible."

La lumière laser verte zigzague ensuite le long de chemins guidés par des miroirs sur la table à travers divers composants optiques pour optimiser la sortie laser nette. Il s'agit notamment de plusieurs cristaux utilisés pour convertir de courtes impulsions laser en un train d'impulsions multiples (mise en forme temporelle), une variété de lentilles pour produire le profil transversal souhaité des impulsions laser (mise en forme spatiale), et des plaques dites demi-onde utilisées pour laisser passer ou rejeter le passage du faisceau laser pour contrôler l'intensité laser globale.

Après ça, la lumière laser est guidée vers une série de modulateurs optiques électriques - "des dispositifs qui découpent des sections de la lumière laser pour produire la séquence souhaitée d'impulsions laser - une séquence qui correspond à la structure des faisceaux d'ions à refroidir, " expliqua Minty.

L'objectif est de chronométrer les impulsions pour qu'elles correspondent à la fréquence du canon à électrons afin que les électrons résultants puissent être accélérés pour correspondre parfaitement aux ions accélérés circulant dans le RHIC.

"En fin de compte, c'est la vitesse du faisceau d'ions qui" décide "de ce dont nous avons besoin, et tout doit être adapté à cela. Nous obtenons un signal des cavités accélératrices d'ions qui est utilisé pour générer les signaux de synchronisation pour les composants générant la structure d'impulsion laser, " dit Minty.

Ancrage et test de la lumière

Les lasers à fibre sont particulièrement bien adaptés pour générer des paquets d'électrons à haute luminosité dans des injecteurs d'électrons à photocathode. Le rapport surface/volume élevé de la fibre permet la génération et la délivrance d'impulsions laser à un taux de répétition élevé et à une puissance laser moyenne élevée. Aussi, la dynamique de la lumière laser se propageant à travers la fibre conduit à d'excellents profils laser, faibles variations de position du laser, et un fonctionnement sans entretien. Ensemble, ces propriétés se traduisent par un fonctionnement à long terme d'un laser très stable, ce qui est essentiel pour les programmes de physique du RHIC.

Deux facteurs clés que les scientifiques doivent contrôler sont le taux d'extinction du laser (la différence entre le laser allumé et éteint) et sa stabilité.

"Si vous avez de la lumière présente alors qu'elle n'est pas censée être là, vous obtiendrez des électrons résiduels, qui peut produire des effets indésirables, " Minty a déclaré. "Nous visons un facteur de 10-6, ce qui signifie que lorsque nous disons que c'est éteint, c'est éteint, et seulement un électron sur un million passera."

Pour la stabilité, les scientifiques doivent s'assurer que le trajet de la lumière ne dévie pas de plus de 10 microns depuis son point de départ jusqu'au canon à photocathode dans le tunnel RHIC, même avec toutes les étapes d'amplification et les voies en zigzag sur la table.

"Globalement, le chemin mesure environ 30 mètres—3 mètres sur la table avec 40 miroirs créant le chemin en zigzag et 27 mètres dans la ligne de transfert, " dit Zhao, debout à l'intérieur de la remorque mobile abritant le laser à l'extérieur de l'anneau RHIC.

"Nous avons stabilisé la table en creusant un grand trou et en enterrant un bloc d'acier de 50 tonnes au niveau de la nappe phréatique de Long Island, et percé des trous dans la remorque pour fixer la table laser à ce bloc, " Minty a dit. " Vous pouvez sauter de haut en bas sur le sol ici et la table ne bougera pas, " elle a ajouté, soulignant les poteaux super stables qui retiennent les miroirs et autres composants clés sur la table isolée du mouvement.

Aussi, les longs tuyaux sous vide à travers lesquels le laser se déplace sont découplés de plusieurs tables optiques plus petites entre la remorque et le canon à électrons situé à l'intérieur de l'enceinte du RHIC. Ces tables abritent des optiques et des miroirs avec des supports également conçus pour la stabilité thermique et vibratoire.

L'équipe, qui comprenait également Brian Sheehy (récemment à la retraite) et un nouvel ajout, Patrick Inacker - a déjà franchi deux étapes importantes pour l'expérience de refroidissement électronique à basse énergie. Le 9 mars 2017, ils ont réussi à transporter un laser d'alignement à travers l'ensemble du système de transport laser, suivi le 5 avril du premier transport réussi à la lumière laser verte. Les premiers tests de refroidissement électronique devraient commencer pendant les opérations du RHIC fin 2018 et début 2019.