Une équipe de recherche ouvre la voie à des lasers à électrons libres compacts et peu coûteux
Le FEL laser-plasma pourrait permettre de surmonter le goulot d'étranglement lié aux durées de mesure dans la recherche
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Les impulsions lumineuses extrêmement courtes et intenses sont très recherchées pour l'étude des atomes, des molécules et des nouveaux matériaux. Les lasers à électrons libres (FEL) produisent ces impulsions. Mais partout dans le monde, le temps de faisceau disponible dans les grandes installations ouvertes aux utilisateurs est limité et les délais d'attente sont longs. Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et du synchrotron SOLEIL, près de Paris, ont franchi une étape décisive dans cette voie : pour la première fois, ils ont réussi à faire fonctionner un laser à plasma (FEL) de manière stable et reproductible dans ce qu’on appelle le régime à haut gain – un état de fonctionnement caractérisé par une amplification particulièrement élevée du rayonnement généré.
Dans l'ondulateur, le faisceau d'électrons issu d'un accélérateur laser-plasma compact interagit avec une impulsion laser. Cette interaction amplifie le rayonnement FEL généré et permet d'obtenir des impulsions d'énergie plus élevée.
HZDR/Blaurock
« La stabilité – c’est-à-dire des impulsions lumineuses qui conservent en permanence une qualité élevée pendant des heures, voire des jours – est extrêmement importante pour toutes les expériences impliquant un FEL », explique le Dr Arie Irman, de l’Institut de physique des rayonnements du HZDR. Les installations conventionnelles à grande échelle ont depuis longtemps atteint cette stabilité, mais ce n’était pas le cas du FEL laser-plasma. Aujourd’hui, après des années de recherche, l’équipe d’Irman a réussi à résoudre ce problème. Elle a généré des impulsions de lumière ultraviolette d’une longueur d’onde de 272 nanomètres et d’une énergie d’impulsion élevée. La puissance du FEL a présenté la croissance exponentielle caractéristique du régime à gain élevé. « Il s’agit d’un progrès significatif par rapport aux résultats que nous avions publiés en 2023 », ajoute Irman.
Surfer sur l’onde de plasma
En principe, un FEL laser-plasma fonctionne comme un laser à électrons libres classique : pour produire ces flashs lumineux intenses, les chercheurs ont d’abord besoin d’électrons à haute énergie se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils pénètrent ensuite dans un ensemble d’aimants, appelé onduleur, qui les contraint à suivre une trajectoire sinueuse, ce qui les oblige à former de minuscules paquets émettant des flashs lumineux intenses et cohérents.
Jusqu’à présent, il fallait recourir à des accélérateurs à grande échelle pour amener les électrons à l’énergie nécessaire, des accélérateurs pouvant atteindre environ deux kilomètres de long. « Dans un FEL laser-plasma, cette distance peut être réduite d’un facteur d’environ mille », explique le Dr Marie Labat du Synchrotron SOLEIL. « Les électrons surfent en quelque sorte sur une onde de plasma. » Après seulement quelques millimètres, ils atteignent des énergies pour lesquelles un accélérateur classique aurait besoin de plusieurs mètres.
La stabilité est essentielle
La clé du succès résidait dans le contrôle précis de l’interaction entre le laser et le plasma. Pour ce faire, l’équipe a utilisé le laser haute performance DRACO du HZDR. Ses impulsions infrarouges ont généré le plasma requis dans un faisceau de gaz d’une épaisseur de quelques millimètres. « Nous avons réussi à régler le laser avec précision pour l’adapter au plasma », explique la physicienne de l’HZDR, le Dr Susanne Schöbel. Cela n’a pas été une mince affaire, car l’interaction entre le laser et le plasma est déterminée par des processus non linéaires difficiles à contrôler. « Grâce au faisceau d’électrons parfaitement contrôlé, nous avons pu générer des flashes de lumière ultraviolette intenses de manière stable et reproductible à l’aide de notre ondulateur. » L’une des caractéristiques de ce phénomène était la croissance exponentielle de la puissance de rayonnement, que l’équipe a observée pour la première fois.
Cependant, ce succès ne marque pas la fin du processus de développement. Les chercheurs souhaitent optimiser encore davantage l’interaction entre le laser et le plasma ainsi que le parcours de l’ondulateur afin d’améliorer la qualité des flashs lumineux. « Les flashs lumineux à cette longueur d’onde ultraviolette ne sont qu’un début », déclare Irman. Leur prochain objectif est la lumière ultraviolette extrême (EUV). Un tel rayonnement pourrait par exemple être utilisé pour un contrôle qualité plus efficace des puces informatiques nanostructurées. Même s’il faudra certainement quelques années avant que les FEL laser-plasma compacts ne viennent compléter les installations à grande échelle, ils suscitent déjà un vif intérêt.
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