Fig. 1 :(a) Pilote optique de table générant des impulsions femtosecondes dans l'infrarouge moyen à une longueur d'onde de 5 m. Les cristaux non linéaires ZnGeP_2 (ZGP) servent à l'amplification des impulsions. (b) Cible en ruban de cuivre pour la génération de rayons X, placé dans une chambre à vide. Les impulsions intenses dans l'infrarouge moyen (flèche rouge en pointillés) sont focalisées sur une bande de cuivre de 20 µm d'épaisseur (point d'interception des flèches bleues des rayons X). La bande de cuivre est déplacée à une vitesse de 5 cm/s pour fournir une nouvelle zone cible pour chaque impulsion de commande. Les rubans en plastique servent à la collecte des débris métalliques de la cible et se déplacent en parallèle. Crédit :MBI
Les impulsions de rayons X durs femtosecondes sont un outil important pour démêler les changements de structure de la matière condensée sur des échelles de longueur atomique et de temps. Une nouvelle source de rayons X à commande laser fournit des impulsions de cuivre femtosecondes Kα à une fréquence de répétition de 1 kHz avec un flux sans précédent d'environ 10 12 photons de rayons X par seconde.
Processus élémentaires en physique, chimie, et la biologie sont liées aux changements de la structure atomique ou moléculaire à l'échelle de la femtoseconde (1 femtoseconde (fs) =10 -15 secondes). Les méthodes à rayons X ultrarapides ont un fort potentiel pour suivre les changements de structure dans l'espace et le temps et générer des « films » des mouvements des électrons, atomes et molécules. Cette perspective a entraîné une forte demande d'impulsions de rayons X durs femtosecondes à appliquer à la diffusion et à la spectroscopie des rayons X.
Il existe deux approches principales pour générer des impulsions de rayons X durs ultracourtes. Les premières sont des sources basées sur des accélérateurs et des onduleurs d'électrons à grande échelle dans lesquels des paquets d'électrons femtosecondes émettent des impulsions lumineuses de rayons X. Les secondes sont des sources de laboratoire de petite taille pilotées par des lasers optiques femtosecondes intenses. Ici, l'accélération des électrons se produit dans le champ électrique intense d'une impulsion optique et des impulsions de rayons X sont générées par l'interaction collisionnelle de ces électrons avec les atomes d'une cible métallique, similaire à un tube à rayons X conventionnel.
Fig. 2 :(a) Géométrie d'interaction des impulsions optiques motrices avec la cible en cuivre. Des impulsions femtosecondes dans l'infrarouge moyen à une longueur d'onde centrale de 5 m (faisceaux rouges) sont focalisées et réfléchies par une fine cible de cuivre. Les électrons (e-) sont extraits de la surface du cuivre, accéléré, et refoulé dans la cible dans un cycle optique du champ électrique optique perpendiculaire à la surface. Cela se traduit par la génération d'impulsions de rayons X durs et d'un bremsstrahlung spectralement large. (b) Spectre des impulsions de rayons X durs sur les raies d'émission de rayons X caractéristiques Cu-Kα_1 et Cu-Kα_2. (c) Nombre total de photons Cu-Kα par impulsion dans l'angle solide complet en fonction du champ électrique pour deux longueurs d'onde motrices différentes. Avec la longueur d'onde du pilote de 5 µm (points bleus), le rendement en rayons X est nettement plus élevé que pour la plus petite longueur d'onde de 0,8 µm (points noirs). Crédit :MBI
Des chercheurs de l'Institut Max Born (MBI) à Berlin ont maintenant accompli une percée dans la génération de table d'impulsions de rayons X femtosecondes en démontrant un train d'impulsions stable à un taux de répétition en kilohertz avec un flux total d'environ 10 12 photons de rayons X par seconde. Comme ils rapportent dans Lettres d'optique , la combinaison d'un nouveau pilote optique fournissant des impulsions infrarouges moyennes femtosecondes autour d'une longueur d'onde de 5 m (5000 nm) avec une cible à bande métallique dans une géométrie de transmission permet de générer des impulsions de rayons X durs à une longueur d'onde de 0,154 nm avec un très haut rendement.
Le pilote optique est basé sur l'amplification d'impulsions paramétriques optiques (OPCPA) et fournit des impulsions de 80 fs à une longueur d'onde centrale de 5 m avec une énergie de 3 mJ et un taux de répétition de 1 kHz. Pour générer des impulsions de rayons X, les impulsions dans l'infrarouge moyen sont étroitement focalisées sur une fine cible de cuivre (Fig. 1). Dans un cycle optique du champ optique, des électrons sont extraits de la bande de cuivre, accéléré dans le vide et dirigé vers la cible. Des électrons d'une énergie cinétique allant jusqu'à 100 keV rentrent dans la cible et génèrent des impulsions de cuivre brillantes Kα à une longueur d'onde de 0,154 nm, accompagné d'un bremsstrahlung spectralement large. Le cycle optique plus long des impulsions dans l'infrarouge moyen par rapport aux impulsions à des longueurs d'onde optiques plus courtes entraîne des temps d'accélération plus longs des électrons, des énergies cinétiques plus élevées, et finalement une plus grande efficacité dans la génération de rayons X (Fig. 2).
La nouvelle source de rayons X de table atteint un nombre moyen de photons Cu-Kα jusqu'à 1,5x10
9
photons par impulsion dans l'angle solide complet ou 1,5x10
12
photons par seconde (points bleus sur la figure 2c). Ce flux de photons est 30 fois supérieur à celui des sources de rayons X de table couramment utilisées pilotées par des lasers Ti:saphir à la longueur d'onde centrale de 0,8 m (points noirs sur la figure 2c). De tels paramètres de source ouvrent des perspectives intéressantes pour étudier les changements de structure ultrarapides dans la matière condensée par diffusion des rayons X résolue en temps.
