Disposition schématique de l'expérience. Les chercheurs envoient une impulsion de rayons X de LCLS à travers un jet de liquide, où il crée des atomes excités qui émettent une impulsion de rayonnement d'une couleur distincte se déplaçant dans la même direction. Cette impulsion est réfléchie à travers une série de miroirs disposés en boucle croisée. La taille de cette boucle est soigneusement réglée pour que l'impulsion revienne au jet de liquide en même temps qu'une deuxième impulsion de rayons X du LCLS. Cela produit une impulsion laser encore plus lumineuse, qui prend alors la même boucle. Le processus est répété plusieurs fois, et à chaque boucle, l'impulsion laser s'intensifie et devient plus cohérente. Lors de la dernière boucle, l'un des miroirs est rapidement commuté permettant à cette impulsion laser de sortir. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Depuis 1960, lorsque Theodore Maiman a construit le premier laser infrarouge au monde, les physiciens rêvaient de produire des impulsions laser à rayons X capables de sonder les échelles ultracourtes et ultrarapides des atomes et des molécules.
Ce rêve s'est finalement réalisé en 2009, lorsque le premier laser à électrons libres à rayons X durs au monde (XFEL), la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, produit sa première lumière. Une limitation de LCLS et d'autres XFEL dans leur mode de fonctionnement normal est que chaque impulsion a une distribution de longueur d'onde légèrement différente, et il peut y avoir une variabilité dans la durée et l'intensité des impulsions. Diverses méthodes existent pour remédier à cette limitation, y compris « ensemencer » le laser à une longueur d'onde particulière, mais ceux-ci sont toujours en deçà de la pureté de longueur d'onde des lasers conventionnels.
Maintenant, Les chercheurs du SLAC développent un appareil compact qui pourrait créer des impulsions de rayons X de meilleure qualité au LCLS avec une approche inspirée des lasers optiques. Le nouvel instrument pourrait étendre la portée des lasers à rayons X, ouvrir de nouvelles voies expérimentales dans des domaines tels que la biologie, chimie, science et physique des matériaux. Leurs récentes découvertes ont été publiées la semaine dernière dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
« Alors que la science des rayons X continue de progresser au cours des prochaines décennies, nous devons commencer à réfléchir à de meilleures technologies, " dit le co-auteur Claudio Pellegrini, un éminent professeur émérite de physique à l'UCLA et professeur adjoint au SLAC dont les travaux ont jeté les bases scientifiques du développement de LCLS. "La qualité actuelle de nos impulsions de rayons X pourrait fonctionner pour l'instant, mais afin de continuer à avancer dans le domaine, nous devons continuellement imaginer de nouvelles et meilleures façons de créer de meilleures impulsions de rayons X. »
Dans la boucle
Au cœur de presque tous les lasers optiques se trouve un oscillateur, qui introduit les photons à travers une série de réflexions miroir entourant ce que l'on appelle le milieu à gain, un matériau utilisé pour amplifier la lumière, produisant un faisceau toujours plus intense à chaque boucle. Finalement, un monochromatique, ou une seule couleur, un faisceau laser entièrement cohérent est libéré. L'objectif est de concevoir un oscillateur laser qui fonctionnerait avec les rayons X, un défi de longue date dans le domaine du laser.
Dans ce dispositif proposé, les chercheurs commencent par envoyer une impulsion de rayons X initiale du LCLS le long de la ligne de lumière. Cette impulsion traverse un jet de liquide, où il crée des atomes excités qui produisent une petite quantité de rayonnement émis dans une couleur distincte se déplaçant dans la même direction. Cette impulsion laser est réfléchie à travers une série de miroirs disposés en boucle. Après avoir terminé la boucle, l'impulsion se joint à une deuxième impulsion de rayons X du LCLS produisant une impulsion laser encore plus lumineuse, qui prend alors la même boucle. Le processus est répété plusieurs fois, et à chaque boucle, l'impulsion laser s'intensifie et devient plus cohérente. Lors de la dernière boucle, l'un des miroirs est rapidement commuté permettant à cette impulsion laser de sortir.
"Le résultat sera une impulsion laser à rayons X entièrement cohérente qui est plus lumineuse et plus propre que celle créée avec un XFEL seul, " déclare l'auteur principal et associé de recherche au SLAC Alex Halavanau.
Petit mais puissant
Le projet fait partie d'un effort de trois ans qui a récemment reçu un financement du DOE. Alors que l'équipe continue de développer l'appareil, ils commenceront à le tester au LCLS lors de la prochaine campagne expérimentale.
"L'objectif est de construire un instrument compact au LCLS qui fournit des impulsions laser à rayons X de la plus haute qualité pour sonder la matière au niveau des atomes et des molécules avec une précision sans précédent, " déclare le co-auteur Uwe Bergmann, un scientifique distingué du SLAC.
« Il y a deux autres projets en cours au LCLS, XFELO et RAFEL, qui visent à fournir des impulsions laser à rayons X de précision avec un oscillateur, " ajoute Pellegrini, se référant à des projets en cours de développement en collaboration avec le laboratoire national d'Argonne du DOE et des partenaires industriels grâce au financement du DOE. "Notre appareil compact complétera ces instruments beaucoup plus gros et leurs propriétés. Cette recherche offrira des opportunités intéressantes au LCLS pour les décennies à venir."
