Interaction d’une impulsion laser et d’un faisceau d’électrons relativiste dans un aimant dipolaire. Crédit : Institut de recherche avancée de Shanghai
Des recherches récentes révèlent un processus fondamental de laser à électrons libres, ouvrant de nouvelles voies pour l’étude et l’exploitation des interactions laser-faisceau.
Les lasers à électrons libres (FEL) génèrent un rayonnement de courte longueur d’onde avec une brillance extrême sur des échelles de temps ultrarapides. Développés au cours des trois dernières décennies, les FEL constituent un outil de recherche important pour la physique, la biologie, la chimie et d’autres domaines.
Contrairement à d’autres sources de lumière synchrotron, l’amplification des impulsions FEL provient d’une interaction forte et continue d’ondes électromagnétiques et de faisceaux d’électrons relativistes dans un réseau périodique de champs magnétiques dipolaires alternatifs, appelé onduleur. L’onduleur pour les FEL à rayons X modernes (XFEL) exploite une boucle de rétroaction positive, un développement révolutionnaire qui facilite la recherche dans le monde à l’échelle nanométrique. Alors que les XFEL continuent de se développer, l’un des processus les plus fondamentaux du laser FEL – l’échange d’énergie dans la sous-période de l’onduleur – n’avait pas été mesuré directement jusqu’à récemment.
Des chercheurs de l’Institut de recherche avancée de Shanghai et de l’Institut de physique appliquée de Shanghai de l’Académie chinoise des sciences ont contribué à une meilleure compréhension de la physique FEL en évaluant l’interaction entre un laser ultraviolet et un faisceau d’électrons relativiste dans un aimant dipolaire pur. Comme indiqué dans Photonique avancée, l’équipe a utilisé un laser de 266 nm à l’installation de test FEL à rayons X mous de Shanghai pour moduler un faisceau d’électrons de 800 MeV. Dans l’expérience, la modulation d’énergie du faisceau d’électrons a été observée directement via une structure de déviation transversale en bande X et a été mesurée à 40 keV. Les résultats ont montré qu’un aimant dipolaire court peut servir d’outil efficace pour introduire une modulation d’énergie de faisceaux d’électrons relativistes, en adaptant efficacement les propriétés d’impulsion FEL en introduisant des courbures précises dans la voie.
L’équipe a également démontré la faisabilité d’utiliser la modulation d’énergie obtenue dans l’aimant dipolaire pour le laser FEL à la sixième harmonique d’un laser d’amorçage. À l’aide d’un laser d’ensemencement d’une puissance crête de plusieurs centaines de gigawatts, ils ont montré qu’il est possible d’obtenir directement une amplitude de modulation d’énergie de l’ordre d’un million d’électrons-volts (MeV) pour les FEL ensemencés.
Selon le premier auteur Jiawei Yan, ancien doctorant à l’Institut de physique appliquée de Shanghai et actuellement physicien à l’European XFEL, « Le travail complète les dernières mesures expérimentales indispensables de la physique FEL, révélant le processus le plus fondamental du laser FEL et ouvrant de nouvelles orientations pour l’étude et l’exploitation des interactions laser-faisceau. À la lumière des résultats, Yan prédit le développement de systèmes de chauffage laser compacts pour les XFEL à haute luminosité, de modulateurs d’énergie stables pour plasma des XFEL basés sur des accélérateurs et même de nouveaux radiateurs pour les futures sources de lumière cohérentes.
Référence : « First observation of laser-beam interaction in a dipole magnet » par Jiawei Yan, Nanshun Huang, Haixiao Deng, Bo Liu, Dong Wang et Zhentang Zhao, 29 juillet 2021, Photonique avancée.
DOI : 10.1117 / 1.AP.3.4.045003
