De nouvelles recherches montrent comment mesurer les salves ultra-courtes de lumière haute fréquence émises par les lasers à électrons libres (FEL). En utilisant l'ionisation induite par la lumière elle-même pour créer un obturateur optique femtoseconde, la technique code le champ électrique de l'impulsion FEL en une impulsion de lumière visible afin qu'il puisse être mesuré avec un étalon, lent, caméra à lumière visible.

"Ce travail a le potentiel de conduire à un nouveau diagnostic en ligne pour les FEL, où la forme d'impulsion exacte de chaque impulsion lumineuse peut être déterminée. Ces informations peuvent aider à la fois l'utilisateur final et les scientifiques des accélérateurs, " dit Pamela Bowlan, Le chercheur principal du Laboratoire national de Los Alamos sur le projet. L'article a été publié le 12 avril 2021 en Optique . "Ce travail ouvre également la voie à la mesure des impulsions de rayons X ou des images de rayons X résolues en temps femtoseconde."

Lasers à électrons libres, qui sont entraînés par des accélérateurs linéaires d'un kilomètre de long, émettent des rafales de lumière de courte longueur d'onde durant un quadrillionième de seconde. Par conséquent, ils peuvent agir comme des lumières stroboscopiques pour visualiser les événements les plus rapides de la nature - mouvement atomique ou moléculaire - et promettent donc de révolutionner notre compréhension de presque tous les types de matière.

La mesure d'un tel éclatement rapide de rayonnement ionisant s'est déjà avéré difficile. Mais alors que l'électronique est trop lente pour mesurer ces impulsions lumineuses, les effets optiques peuvent être essentiellement instantanés. La compression de toute l'énergie d'un laser continu en de courtes impulsions signifie que les impulsions laser femtosecondes sont extrêmement lumineuses et ont la capacité de modifier l'absorption ou la réfraction d'un matériau, créant des "obturateurs optiques" effectivement instantanés.

Cette idée a été largement utilisée pour mesurer les impulsions laser femtosecondes de lumière visible. Mais la lumière ultraviolette extrême à haute fréquence des FEL interagit différemment avec la matière; cette lumière est ionisante, ce qui signifie qu'il tire des électrons de leurs atomes. Les chercheurs ont montré que l'ionisation elle-même peut être utilisée comme "obturateur optique femtoseconde" pour mesurer les impulsions laser ultraviolettes extrêmes à 31 nanomètres.

"L'ionisation modifie généralement les propriétés optiques d'un matériau pendant des nanosecondes, qui est 10, 000 fois plus lente que la durée d'impulsion FEL, " dit Bowlan. " Mais la durée du front montant de l'ionisation, déterminé par le temps qu'il faut à l'électron pour quitter l'atome, est nettement plus rapide. Ce changement résultant dans les propriétés optiques peut agir comme l'obturateur rapide nécessaire pour mesurer les impulsions FEL."