La photographie est prise pendant le processus de génération d'harmoniques élevées dans la cellule de gaz à haute pression, avec l'entrée infrarouge moyen arrivant sur la droite et la sortie des rayons X doux apparaissant sur la gauche. Crédit :ETH Zurich/D-PHYS Groupe Keller
Des physiciens de l'ETH Zurich ont développé la première source laser à taux de répétition élevé qui produit des rayons X mous cohérents couvrant toute la "fenêtre d'eau". Cette percée technologique pourrait permettre un large éventail d'études dans le domaine biologique, sciences chimiques et des matériaux, ainsi qu'en physique.
La capacité de générer des impulsions lumineuses d'une durée inférieure à la femtoseconde, démontré pour la première fois il y a une vingtaine d'années, a donné naissance à un domaine entièrement nouveau :la science et la technologie attoseconde. Des systèmes laser de table sont apparus qui permettent des études qui n'étaient pas possibles auparavant, permettant aux chercheurs de suivre, imager et caractériser les processus électroniques dans les atomes, molécules et solides sur leur nature, échelles de temps attosecondes.
Les systèmes laser qui permettent de telles études fonctionnent généralement dans la bande spectrale ultraviolette extrême. Cependant, il y a longtemps eu une poussée pour atteindre des énergies de photons plus élevées. D'un intérêt particulier est la soi-disant fenêtre d'eau, occupé par des rayons X mous avec des longueurs d'onde comprises entre 2,2 et 4,4 nm. Cette fenêtre spectrale doit son nom et sa signification au fait qu'à ces fréquences, les photons ne sont pas absorbés par l'oxygène (et donc par l'eau), mais ils sont au carbone. Ceci est idéal pour étudier des molécules organiques et des spécimens biologiques dans leur environnement aqueux naturel.
Aujourd'hui, il existe une poignée de sources attosecondes couvrant cette gamme de fréquences, mais leur applicabilité est limitée par des taux de répétition relativement faibles de 1 kHz ou moins, ce qui à son tour signifie des taux de comptage faibles et des rapports signal/bruit médiocres. Écrire dans Optique , Justinas Pupeikis et ses collègues du groupe Ultrafast Laser Physics du professeur Ursula Keller de l'Institute for Quantum Electronics ont signalé une innovation qui surmonte les limites des sources antérieures. Ils présentent la première source de rayons X mous qui couvre toute la fenêtre d'eau à un taux de répétition de 100 kHz, une amélioration cent fois supérieure aux sources de pointe.
Une montée en puissance technologique
Le goulot d'étranglement dans la production de rayons X mous à des taux de répétition élevés a été le manque de systèmes laser appropriés pour piloter le processus clé sous-jacent à la génération d'impulsions attosecondes dans les systèmes de table. Ce processus est connu sous le nom de génération d'harmoniques élevées, et il implique une impulsion laser femtoseconde intense interagissant avec une cible, typiquement un gaz atomique. La réponse électronique non linéaire de la cible provoque alors l'émission d'impulsions attosecondes à un multiple impair de la fréquence du champ laser pilote. Pour s'assurer que la réponse contient des photons de rayons X couvrant la plage de la fenêtre d'eau, la source femtoseconde doit fonctionner dans l'infrarouge moyen. Aussi, il doit fournir des impulsions de puissance de crête élevée. Et tout cela à des taux de répétition élevés. Une telle source n'existait pas jusqu'à présent.
Pupeikis et al. a relevé le défi et a systématiquement amélioré une mise en page qu'ils avaient déjà explorée dans des travaux antérieurs, basé sur l'amplification d'impulsions paramétriques optiques (ou OPCPA en abrégé). Ils avaient établi auparavant que l'approche est prometteuse en vue de réaliser des sources moyen infrarouge de forte puissance, mais des améliorations substantielles étaient encore nécessaires pour atteindre les performances requises pour la génération à haute harmonique de photons de rayons X dans la fenêtre d'eau. En particulier, ils ont poussé la puissance de crête de 6,3 GW auparavant à 14,2 GW, et ils ont atteint une puissance moyenne de 25 W pour des impulsions un peu plus longues que deux oscillations du champ optique sous-jacent (16,5 fs). La puissance de crête démontrée est la plus élevée signalée à ce jour pour tout système à taux de répétition élevé avec une longueur d'onde supérieure à 2 m (voir figure, panneau a).
(a) Systèmes de pointe dans l'infrarouge moyen à taux de répétition élevé (>10 kHz). (b) Des coupures à la pointe de la technologie en phase de correspondance des harmoniques élevées à des taux de répétition élevés. (Les points de référence ont été compilés en octobre 2019, à la date de soumission.) Crédit :ETH Zurich/D-PHYS Keller group
Prêt pour la salle de radiographie
Avec ce niveau de performance à leur disposition, l'équipe était prête pour la prochaine étape, conversion ascendante de fréquence par génération d'harmoniques élevées. Pour ça, le faisceau de sortie de l'OPCPA a été acheminé via un système de périscope vers un autre laboratoire distant de plus de 15 m, pour tenir compte des contraintes locales d'espace de laboratoire. Là, le faisceau a rencontré une cible d'hélium maintenue à une pression de 45 bars. Une telle pression élevée était nécessaire pour l'adaptation de phase entre le rayonnement infrarouge et le rayonnement X, et donc une efficacité de conversion d'énergie optimale.
Une fois toutes les pièces en place, le système livré, générer un rayonnement X doux cohérent s'étendant jusqu'à une énergie de 620 eV (longueur d'onde de 2 nm), couvrant toute la fenêtre d'eau - une réalisation exceptionnelle par rapport à d'autres sources à taux de répétition élevé dans cette gamme de fréquences (voir la figure, panneau b).
Une fenêtre d'opportunité
Cette démonstration ouvre un vaste éventail de nouvelles opportunités. Imagerie cohérente dans la région spectrale de la fenêtre d'eau, très pertinent pour la chimie et la biologie, devrait être possible avec une configuration compacte. À la fois, le taux de répétition élevé disponible répond aux limitations dues à la formation de charges d'espace qui empoisonnent les expériences de photoémission avec des sources pulsées. De plus, la fenêtre d'eau comprend non seulement les K bords de carbone, l'azote et l'oxygène, mais aussi les arêtes L et M d'une gamme de métaux, qui peuvent maintenant être étudiées avec une sensibilité ou une spécificité plus élevée.
Avec de si belles perspectives, la réalisation de la source annonce le début de la prochaine génération de technologie attoseconde, dans lequel les chercheurs peuvent combiner pour la première fois des taux de répétition élevés et des énergies de photons élevées. Une ligne de lumière attoseconde conçue pour exploiter ces nouvelles capacités est actuellement en construction dans le laboratoire Keller.
