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 produite dans le cadre de recherches menées 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. Les sources lumineuses courantes à faisceau d’électrons, appelées sources lumineuses de quatrième génération, sont basées sur le laser à électrons libres (FEL), qui utilise un onduleur pour convertir l’énergie du faisceau d’électrons en rayons X.
Les sources de lumière cohérente sont des outils puissants qui permettent la recherche dans de nombreux domaines de la médecine, de la biologie, des sciences des matériaux, de la chimie et de la physique.
“Cette nouvelle façon de produire un rayonnement cohérent pourrait révolutionner les sources lumineuses, car elle les rendrait très compactes, essentiellement de la taille d’une table, et capables de produire des impulsions lumineuses de durée ultra-courte, beaucoup plus courtes 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 étudier 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, l’une des revues de la famille Nature.
Le professeur Dino Jaroszynski, du département de physique de Strathclyde, a dirigé la recherche. Il a déclaré : « Ce travail fait considérablement progresser l’état de l’art des sources synchrotron en proposant une nouvelle méthode de production de rayonnement cohérent de courte longueur d’onde, en 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 chirpées – 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 ». Dans le 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, d’autres sont accélérés, ce qui provoque un regroupement, similaire au trafic 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, étouffant efficacement les vagues – réduisant leur amplitude. En revanche, un vent constant ou pulsé provoquera une amplification des vagues par l’interaction mutuelle du vent avec la mer.
Dans le 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, l’utilisation d’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 de la lumière d’un laser.
Les chercheurs ont démontré théoriquement que cela peut être réalisé en utilisant un laser-plasma accélérateur de champ de sillage, 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 à haute énergie passent à travers 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 le paquet de manière balistique à une durée très courte à l’intérieur de l’onduleur, ce qui offre un moyen unique d’aller vers des paquets d’électrons encore plus courts et donc de produire lumière de longueur d’onde encore plus courte.
Référence : “Vacuum ultraviolet cohérente undulator radiation from attosecond electron paquets” par Enrico Brunetti, Bas van der Geer, Marieke de Loos, Kay A. Dewhurst, Andrzej Kornaszewski, Antoine Maitrallain, Bruno D. Muratori, Hywel L. Owen, S. Mark Wiggins et Dino A. Jaroszynski, 16 juillet 2021, Rapports scientifiques.
DOI : 10.1038 / s41598-021-93640-8
La collaboration de recherche a également impliqué l’Université de Manchester, Pulsar Physics aux Pays-Bas et le groupe STFC ASTeC des Laboratoires de Daresbury. L’étude a reçu un financement de l’EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council), pour soutenir un projet nommé Lab in a Bubble.
