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    Le paradoxe d'un laser à électrons libres sans laser

    Crédit :CC0 Domaine public

    Une nouvelle façon de produire de la lumière cohérente dans la région spectrale ultra-violette, qui ouvre la voie au développement de sources de rayons X de table brillantes, a été produit dans le cadre d'une recherche menée à l'Université de Strathclyde.

    Les scientifiques ont développé un type de source de lumière cohérente à ultra-courte longueur d'onde qui ne nécessite pas d'action laser pour produire de la cohérence. Sources lumineuses communes à faisceau d'électrons, connues sous le nom de sources lumineuses de quatrième génération, sont basés sur le laser à électrons libres (FEL), qui utilise un onduleur pour convertir l'énergie du faisceau d'électrons en rayons X.

    Les sources lumineuses cohérentes sont des outils puissants qui permettent la recherche dans de nombreux domaines de la médecine, la biologie, sciences des matériaux, chimie et physique.

    Cette nouvelle façon de produire un rayonnement cohérent pourrait révolutionner les sources lumineuses, car cela les rendrait très compacts, essentiellement la taille de table, et capable de produire des impulsions lumineuses de durée ultra-courte, beaucoup plus court que ce qui peut être produit facilement par tout autre moyen.

    Rendre les sources de lumière cohérente ultraviolette et X plus largement disponibles transformerait la façon dont la science est faite; une université pourrait avoir l'un des appareils dans une seule pièce, sur une table, pour un prix raisonnable.

    Le groupe prévoit maintenant une expérience de démonstration de principe dans le domaine spectral ultraviolet pour démontrer cette nouvelle façon de produire de la lumière cohérente. En cas de succès, il devrait accélérer considérablement le développement de sources cohérentes de longueurs d'onde encore plus courtes basées sur le même principe. Le groupe Strathclyde a mis en place une installation pour enquêter sur ces types de sources :le Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA), qui héberge l'un des lasers les plus puissants du Royaume-Uni.

    La nouvelle recherche a été publiée dans Rapports scientifiques , un de La nature famille de revues.

    Professeur Dino Jaroszynski, du département de physique de Strathclyde, dirigé la recherche. Il dit que "ce travail fait considérablement progresser l'état de l'art des sources synchrotron en proposant une nouvelle méthode de production de rayonnement cohérent à courte longueur d'onde, utilisant un onduleur court et des paquets d'électrons de durée attoseconde."

    "Ceci est plus compact et moins exigeant sur la qualité du faisceau d'électrons que les lasers à électrons libres et pourrait fournir un changement de paradigme dans les sources lumineuses, ce qui stimulerait une nouvelle direction de recherche. Il propose d'utiliser la compression de paquets, comme dans les lasers à amplification d'impulsions à fréquence variable, au sein de l'onduleur pour améliorer considérablement la luminosité du rayonnement. »

    "La nouvelle méthode présentée serait d'un grand intérêt pour une communauté diversifiée développant et utilisant des sources lumineuses."

    Dans les FEL, comme dans tous les lasers, l'intensité de la lumière est amplifiée par un mécanisme de rétroaction qui verrouille les phases des radiateurs individuels, qui dans ce cas sont des électrons « libres ». Au FEL, ceci est réalisé en faisant passer un faisceau d'électrons de haute énergie à travers l'onduleur, qui est un réseau d'aimants à polarité alternée.

    La lumière émise par les électrons lorsqu'ils se tortillent à travers l'onduleur crée une force appelée force pondéromotrice qui regroupe les électrons - certains sont ralentis, certains sont accélérés, ce qui provoque le tassement, similaire à la circulation sur une autoroute qui ralentit et accélère périodiquement.

    Les électrons traversant l'onduleur émettent une lumière incohérente s'ils sont uniformément répartis - pour chaque électron qui émet de la lumière, il y a un autre électron qui annule partiellement la lumière car ils rayonnent hors de phase. Une analogie de cette annulation partielle est la pluie sur la mer :elle produit de nombreuses petites ondulations qui s'annulent partiellement, réprimant efficacement les vagues, réduisant leur amplitude. En revanche, un vent constant ou pulsé provoquera l'amplification des vagues par l'interaction mutuelle du vent avec la mer.

    Au FEL, le groupement d'électrons provoque une amplification de la lumière et l'augmentation de sa cohérence, ce qui prend généralement beaucoup de temps - il faut donc de très longs onduleurs. Dans un FEL à rayons X, les onduleurs peuvent mesurer plus d'une centaine de mètres de long. Les accélérateurs qui alimentent ces FEL à rayons X font des kilomètres de long, ce qui rend ces appareils très coûteux et certains des plus gros instruments au monde.

    Cependant, utiliser un laser à électrons libres pour produire un rayonnement cohérent n'est pas le seul moyen; un faisceau "pré-groupé" ou un paquet d'électrons ultra-courts peut également être utilisé pour obtenir exactement la même cohérence dans un onduleur très court de moins d'un mètre de long. Tant que le paquet d'électrons est plus court que la longueur d'onde de la lumière produite par l'onduleur, il produira automatiquement une lumière cohérente - toutes les ondes lumineuses s'additionneront ou interféreront de manière constructive, ce qui conduit à une lumière très brillante avec exactement les mêmes propriétés que la lumière d'un laser.

    Les chercheurs ont démontré théoriquement que cela peut être réalisé en utilisant un accélérateur de champ de sillage laser-plasma, qui produit des paquets d'électrons pouvant avoir une longueur de quelques dizaines de nanomètres. Ils montrent que si ces paquets ultra-courts d'électrons de haute énergie traversent un onduleur court, ils peuvent produire autant de photons qu'un FEL très coûteux peut produire. De plus, ils ont également montré qu'en produisant un paquet d'électrons qui a un « chirp » d'énergie, ils peuvent compresser balistiquement le paquet sur une durée très courte à l'intérieur de l'onduleur, qui fournit un moyen unique d'aller vers des paquets d'électrons encore plus courts et donc de produire une lumière de longueur d'onde encore plus courte.


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