Laser à impulsions de rayons X attosecondes de classe TW

Laser à impulsions de rayons X attosecondes de classe TW
Rayons X attosecondeslaser pulséUne puissance élevée et une durée d'impulsion courte sont essentielles pour obtenir une spectroscopie non linéaire ultrarapide et une imagerie par diffraction des rayons X. L'équipe de recherche américaine a utilisé une cascade de deux étages.Lasers à électrons libres à rayons XCe dispositif permet de générer des impulsions attosecondes discrètes. Comparée aux résultats antérieurs, la puissance de crête moyenne de ces impulsions est supérieure d'un ordre de grandeur, la puissance de crête maximale atteint 1,1 TW et l'énergie médiane dépasse 100 μJ. L'étude apporte également des preuves solides d'un comportement de super-radiation de type soliton dans le champ des rayons X.Lasers à haute énergieLes lasers ont stimulé de nombreux nouveaux domaines de recherche, notamment la physique des champs intenses, la spectroscopie attoseconde et les accélérateurs de particules laser. Parmi les différents types de lasers, les rayons X sont largement utilisés en diagnostic médical, pour la détection de défauts industriels, le contrôle de sécurité et la recherche scientifique. Le laser à électrons libres à rayons X (XFEL) permet d'accroître la puissance de crête des rayons X de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux autres technologies de génération de rayons X, étendant ainsi leur application à la spectroscopie non linéaire et à l'imagerie par diffraction de particules uniques, domaines qui requièrent une puissance élevée. Le récent succès du XFEL attoseconde constitue une avancée majeure dans le domaine des sciences et technologies attosecondes, augmentant la puissance de crête disponible de plus de six ordres de grandeur par rapport aux sources de rayons X de laboratoire.

Lasers à électrons libresIl est possible d'obtenir des énergies d'impulsion plusieurs ordres de grandeur supérieures au niveau d'émission spontanée grâce à l'instabilité collective, induite par l'interaction continue entre le champ de rayonnement du faisceau d'électrons relativistes et l'oscillateur magnétique. Dans le domaine des rayons X durs (longueur d'onde d'environ 0,01 nm à 0,1 nm), l'émission d'électrons libres (FEL) est réalisée par compression de faisceaux et techniques de focalisation après saturation. Dans le domaine des rayons X mous (longueur d'onde d'environ 0,1 nm à 10 nm), la FEL est mise en œuvre par la technologie de la cascade à tranches fraîches. Récemment, des impulsions attosecondes d'une puissance crête de 100 GW ont été générées par la méthode d'émission spontanée auto-amplifiée améliorée (ESASE).

L'équipe de recherche a utilisé un système d'amplification à deux étages basé sur un laser à électrons libres à effet de champ (XFEL) pour amplifier les impulsions attosecondes de rayons X mous émises par l'accélérateur linéaire.source lumineuseAu niveau du TW, soit une amélioration d'un ordre de grandeur par rapport aux résultats publiés, le dispositif expérimental est présenté sur la figure 1. Basé sur la méthode ESASE, l'émetteur de la photocathode est modulé pour obtenir un faisceau d'électrons avec un pic de courant élevé, utilisé pour générer des impulsions de rayons X attosecondes. L'impulsion initiale est située au bord d'attaque du pic du faisceau d'électrons, comme illustré dans le coin supérieur gauche de la figure 1. Lorsque le laser XFEL atteint la saturation, le faisceau d'électrons est retardé par rapport aux rayons X par un compresseur magnétique, puis l'impulsion interagit avec le faisceau d'électrons (nouvelle tranche) non modifié par la modulation ESASE ni par le laser FEL. Enfin, un second onduleur magnétique est utilisé pour amplifier davantage les rayons X par l'interaction des impulsions attosecondes avec la nouvelle tranche.

Figure 1. Schéma du dispositif expérimental ; l’illustration montre l’espace des phases longitudinal (diagramme temps-énergie de l’électron, en vert), le profil de courant (en bleu) et le rayonnement produit par l’amplification du premier ordre (en violet). XTCAV : cavité transversale en bande X ; cVMI : système d’imagerie à cartographie rapide coaxiale ; FZP : spectromètre à plaque de Fresnel

Toutes les impulsions attosecondes sont générées à partir de bruit, ce qui leur confère des propriétés spectrales et temporelles différentes, que les chercheurs ont étudiées plus en détail. Concernant les spectres, ils ont utilisé un spectromètre à plaque de Fresnel pour mesurer les spectres d'impulsions individuelles à différentes longueurs d'onduleur équivalentes. Ils ont constaté que ces spectres conservaient des formes d'onde lisses même après une amplification secondaire, indiquant que les impulsions restaient unimodales. Dans le domaine temporel, la frange angulaire a été mesurée et la forme d'onde temporelle de l'impulsion a été caractérisée. Comme illustré sur la figure 1, l'impulsion de rayons X est superposée à l'impulsion laser infrarouge à polarisation circulaire. Les photoélectrons ionisés par l'impulsion de rayons X produisent des stries dans la direction opposée au potentiel vecteur du laser infrarouge. Le champ électrique du laser tournant avec le temps, la distribution en impulsion du photoélectron est déterminée par le temps d'émission électronique, et la relation entre le mode angulaire du temps d'émission et la distribution en impulsion du photoélectron a été établie. La distribution de l'impulsion des photoélectrons est mesurée à l'aide d'un spectromètre imageur coaxial à cartographie rapide. À partir de cette distribution et des résultats spectraux, la forme d'onde temporelle des impulsions attosecondes peut être reconstruite. La figure 2(a) montre la distribution de la durée des impulsions, avec une médiane de 440 as. Enfin, un détecteur de surveillance des gaz a été utilisé pour mesurer l'énergie des impulsions, et le diagramme de dispersion entre la puissance crête des impulsions et leur durée, illustré figure 2(b), a été calculé. Les trois configurations correspondent à différentes conditions de focalisation du faisceau d'électrons, de cône d'onde et de délai du compresseur magnétique. Ces trois configurations ont permis d'obtenir des énergies d'impulsion moyennes de 150, 200 et 260 µJ, respectivement, avec une puissance crête maximale de 1,1 TW.

Figure 2. (a) Histogramme de distribution de la durée d'impulsion à mi-hauteur (FWHM) ; (b) Nuage de points correspondant à la puissance de crête et à la durée d'impulsion

De plus, l'étude a également observé pour la première fois le phénomène de superémission de type soliton dans la bande des rayons X, qui se manifeste par un raccourcissement continu de l'impulsion lors de l'amplification. Ce phénomène est dû à une forte interaction entre les électrons et le rayonnement, l'énergie étant rapidement transférée de l'électron à la tête de l'impulsion de rayons X, puis de nouveau à l'électron à partir de la queue de l'impulsion. Grâce à une étude approfondie de ce phénomène, il est envisageable de réaliser des impulsions de rayons X plus courtes et de puissance crête plus élevée en prolongeant le processus d'amplification par superradiation et en tirant parti du raccourcissement de l'impulsion en mode soliton.