L'équipe de recherche sur les lasers à électrons libres de l'Académie chinoise des sciences a réalisé des progrès significatifs dans le développement de lasers à électrons libres entièrement cohérents. Grâce au Centre de recherche sur les lasers à électrons libres à rayons X mous de Shanghai, le nouveau mécanisme de laser à électrons libres à cascade harmonique par écho, proposé par la Chine, a été validé avec succès, permettant l'obtention d'un rayonnement cohérent à rayons X mous aux performances exceptionnelles. Ces résultats ont récemment été publiés dans la revue Optica sous le titre « Impulsions de rayons X mous cohérentes et ultracourtes issues de lasers à électrons libres à cascade harmonique par écho ».
Le laser à électrons libres à rayons X est l'une des sources de lumière les plus avancées au monde. Actuellement, la plupart des lasers à électrons libres à rayons X internationaux sont basés sur le mécanisme d'émission spontanée auto-amplifiée (SASE). Le SASE présente une brillance de crête très élevée et une largeur d'impulsion ultracourte de l'ordre du femtoseconde, ainsi que d'autres excellentes performances. Cependant, les vibrations dues au bruit, la cohérence et la stabilité de son impulsion de rayonnement sont limitées, ce qui ne permet pas d'obtenir un véritable laser à rayons X. L'un des axes de développement les plus importants dans le domaine des lasers à électrons libres à l'échelle internationale est de générer un rayonnement X totalement cohérent avec la qualité d'un laser conventionnel. Une solution prometteuse consiste à utiliser un mécanisme de fonctionnement de laser à électrons libres à amorçage externe. Le rayonnement de ce type de laser hérite des caractéristiques du laser d'amorçage et présente d'excellentes propriétés telles que la cohérence totale, le contrôle de phase et une synchronisation précise avec le laser de pompage externe. Toutefois, en raison des limitations de longueur d'onde et de largeur d'impulsion du laser d'amorçage, la couverture spectrale des courtes longueurs d'onde et la plage de réglage de la durée d'impulsion du laser à électrons libres à amorçage externe sont limitées. Afin d'étendre encore la couverture en courtes longueurs d'onde du laser à électrons libres à amorçage externe, de nouveaux modes de fonctionnement de laser à électrons libres tels que la génération d'harmoniques d'écho sont activement développés dans le monde ces dernières années.
Le laser à électrons libres à amorçage externe est l'une des principales voies techniques pour le développement de lasers à électrons libres à gain élevé en Chine. Actuellement, les quatre lasers à électrons libres à gain élevé en Chine fonctionnent tous en mode d'amorçage externe. Grâce aux installations de laser à électrons libres pour l'ultraviolet profond et les rayons X mous de Shanghai, les chercheurs ont successivement réalisé la première amplification de lumière par laser à électrons libres de type écho au niveau international, ainsi que la première amplification par saturation par laser à électrons libres de type écho dans l'ultraviolet extrême. Afin d'étendre l'utilisation du laser à électrons libres à amorçage externe aux courtes longueurs d'onde, l'équipe de recherche a proposé un nouveau mécanisme de laser à électrons libres entièrement cohérent avec cascade harmonique d'écho. Ce mécanisme a servi de base au laser à électrons libres pour rayons X mous de Shanghai, et l'ensemble du processus, de la validation du principe à l'amplification de la lumière dans la bande des rayons X mous, a été mené à bien. Les résultats de la recherche montrent que, comparé au mécanisme traditionnel à amorçage externe, ce mécanisme présente d'excellentes caractéristiques spectrales. Grâce à l'adoption d'une technologie de diagnostic par impulsions de rayons X ultrarapides développée indépendamment par les chercheurs (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027), les performances supérieures de ce nouveau mécanisme en matière de contrôle de la durée d'impulsion et de génération d'impulsions ultrarapides sont confirmées. Ces résultats ouvrent la voie à la génération de lasers à électrons libres entièrement cohérents dans la bande subnanométrique et constituent un outil de recherche idéal pour l'optique non linéaire des rayons X et la physico-chimie ultrarapide.
Le laser à électrons libres à cascade harmonique d'écho présente d'excellentes performances spectrales : l'image de gauche représente le mode de cascade conventionnel, et l'image de droite le mode de cascade harmonique d'écho.
Le réglage de la durée d'impulsion des rayons X et la génération d'impulsions ultrarapides peuvent être réalisés par cascade harmonique d'écho.
Date de publication : 8 octobre 2023