Les accélérateurs de particules conventionnels peuvent aller de grands dispositifs de la taille d'une pièce à des installations de plusieurs kilomètres de diamètre. L'un des moyens utilisés par les scientifiques pour réduire la taille et le coût des futurs accélérateurs consiste à développer une accélération du plasma pilotée par laser. De tels accélérateurs, cependant, augmentent en taille et en complexité afin de conserver leur pertinence pour l'une de leurs applications, la physique des hautes énergies. Cependant, il existe de nombreuses applications qui peuvent utiliser un faisceau accéléré à plus faible énergie et à taux de répétition plus élevé. Pour la première fois, les scientifiques ont observé la production d'électrons relativistes entraînés par les basses énergies, impulsions laser ultracourtes dans l'infrarouge moyen. Une équipe de recherche de l'Université du Maryland, ETATS-UNIS, avec le soutien de l'Université technique de Vienne, L'Autriche, présenteront les conclusions de leur groupe à Frontières en optique + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), du 17 au 21 septembre 2017 à Washington, DC.

« Nous essayons de développer des accélérateurs à laser qui sont extrêmement compacts et ont un taux de répétition élevé, " a déclaré Howard Milchberg, Membre de l'American Physical Society (APS) et de l'Optical Society (OSA), et professeur de physique et de génie électrique à l'Université du Maryland. "Cela signifie utiliser une énergie d'impulsion laser aussi faible que possible pour générer des électrons relativistes. De telles sources pourraient être utilisées dans l'imagerie à balayage rapide pour le médical, applications scientifiques et de sécurité.

Récemment, le développement de systèmes optiques d'amplification d'impulsions chirp paramétrique (OPCPA) dans l'infrarouge moyen a permis l'utilisation d'impulsions de grande longueur d'onde à l'échelle femtoseconde. Jusqu'à ce développement, les impulsions laser de grande longueur d'onde sont principalement disponibles à partir des lasers CO2, mais ils ont une structure multi-impulsions compliquée avec des durées d'impulsion s'étendant, aux durées les plus courtes, au-delà de quelques picosecondes, des centaines de fois plus longtemps.

Les expériences d'accélération laser courantes dépendent de l'interaction d'impulsions laser courtes avec une cible de gaz. Par rapport aux expériences précédentes, la longue longueur d'onde du conducteur utilisée dans ce projet a permis d'accéder facilement à ce qu'on appelle le régime de "densité critique". Parce que la densité critique varie en raison inverse du carré de la longueur d'onde du laser, les cibles de gaz utilisées pour les impulsions laser mid-IR peuvent être jusqu'à 100 fois moins denses que celles utilisées dans le visible et le proche IR, ce qui les rend beaucoup moins difficiles à concevoir.

« Quand quelques impulsions laser femtosecondes à infrarouge moyen de quelques millijoules sont focalisées par un miroir incurvé dans un jet d'hydrogène gazeux – un flux d'hydrogène soufflant d'une buse – une impulsion collimatée d'électrons relativistes rayonne de l'autre côté du jet, " Milchberg a dit, décrivant l'expérience. "Toutefois, cela ne peut se produire que si le laser atteint une intensité extrêmement élevée - bien supérieure à ce qu'il est possible d'atteindre en se concentrant uniquement avec le miroir incurvé. Il le fait par auto-focalisation relativiste dans l'hydrogène gazeux ionisé de sorte qu'il s'effondre à une taille beaucoup plus petite que sa tache focale. »

L'importance d'être dans le régime de densité critique, selon Milchberg, est qu'il favorise l'auto-focalisation relativiste même pour les impulsions laser de faible énergie. Cette interaction renforcée à haute intensité génère des ondes plasma qui accélèrent certains des électrons de l'hydrogène ionisé en un faisceau relativiste dirigé vers l'avant.

L'équipe a découvert que des faisceaux d'électrons étaient présents pour des puissances telles que la longueur d'auto-focalisation caractéristique dans le plasma était plus courte que la, largeur de jet de gaz, montrant que l'accélération des électrons ne peut se produire sans auto-focalisation relativiste.

L'auto-focalisation relativiste est un exemple extrême du processus bien connu d'auto-focalisation en optique non linéaire, mais maintenant avec le bonus de particules relativistes accélérées générées à partir du milieu non linéaire.

Même avec seulement 20 millijoules d'énergie laser mid-IR, le laser dans ces expériences peut dépasser de manière significative le seuil d'auto-focalisation relativiste, donnant lieu à une multifilamentation relativiste. L'équipe a observé plusieurs faisceaux d'électrons relativistes associés à ces filaments.

Ces innovations font partie des premières étapes du développement et des applications d'accélérateurs laser à taux de répétition élevé. "En particulier, " Milchberg a dit, « les lasers femtoseconde à grande longueur d'onde sont particulièrement prometteurs, car ils peuvent accéder étonnamment facilement au régime non linéaire relativiste des électrons libres."