LASERS À ÉLECTRONS LIBRES

Apparus en 1977, les lasers à électrons libres (LEL) ont suscité un vif intérêt dans la communauté scientifique. En effet, leur milieu actif utilise non pas des atomes et des molécules comme pour les lasers conventionnels, mais un faisceau d'électrons de haute énergie. Ce milieu amplificateur particulier permet de produire un rayonnement laser à toutes les longueurs d'onde, y compris celles qui ne sont pas accessibles aujourd'hui avec les lasers classiques (rayons X, par exemple), et en rend possible une variation continue, ce qui est essentiel pour la spectroscopie. Mais, comme les LEL font appel à des accélérateurs de particules, dont la taille varie d'une vingtaine de mètres – pour produire un effet laser dans l'infrarouge – à plus de 1 kilomètre – pour l'obtenir dans les rayons X –, ils présentent de sérieux désavantages : leur coût et leur encombrement. Malgré ce handicap, qui est justifié par leurs performances exceptionnelles (accordabilité et brillance spectrale), le L.E.L dans l'infrarouge est couramment utilisé aujourd'hui comme outil de recherche, tandis que le LEL dans les rayons X (LELX) a été mis au point en 2009.

Principe du laser à électrons libres (LEL)

Un laser est un amplificateur d'ondes électromagnétiques. Dans un LEL, le milieu amplificateur est constitué d'un faisceau d'électrons de haute énergie qui passe à travers un onduleur (fig. 1). Accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, les électrons entrent en interaction avec un champ magnétique (transverse et alterné), fourni par les différents aimants constituant l'onduleur, et émettent spontanément des photons qui ne constituent rien d'autre qu'un rayonnement synchrotron. Ainsi, à chaque oscillation, un électron émet du rayonnement synchrotron. À la fin de son passage dans l'onduleur, il a émis un train d'onde. Si tous les électrons sont en phase, tous les trains d'onde émis le sont également. Ces derniers s'additionnent donc au lieu de tendre à se détruire lorsque des oscillations positives et négatives se trouvent au même endroit. Le rayonnement émis devient alors proportionnel au carré du nombre d'électrons, soit N_e², alors qu'il est simplement proportionnel à N_e pour le rayonnement synchrotron. Comme N_e est de l'ordre de 10⁹, il s'agit d'une forte amplification qui permet ainsi d'obtenir une émission laser.

Rappelons que dans tout laser, le rôle de l'émission stimulée est bien de mettre en phase tous les émetteurs de photons en les « forçant » à émettre en même temps que l'onde incidente. Dans le cas du L.E.L., c'est le rayonnement synchrotron « incohérent » émis au début de l'onduleur qui initie la mise en phase des électrons en provoquant leur regroupement. Ce dernier se produit par modulation périodique de la vitesse des électrons lorsque ceux-ci sont soumis simultanément à deux champs transverses périodiques : celui de l'onduleur, qui est statique, et celui du rayonnement synchrotron émis. Dans le champ de l'onduleur, considéré comme dominant, les électrons acquièrent une vitesse transverse qui les couple au champ électrique de l'émission spontanée. Ce couplage garde le même signe pour un électron donné si les deux champs que subit la particule (l'accord de vitesse est impossible dans le vide car la vitesse de la lumière y est toujours supérieure à celle d'une particule) sont en accord de phase. Cela est réalisé, à 2nπ près, pour une longueur d'onde particulière, dite de résonance (et ses harmoniques), qui est précisément celle émise en rayonnement synchrotron.

Une fois initiée, la mise en phase complète des électrons peut être obtenue de deux façons :

– soit, comme dans les lasers habituels, en stockant le rayonnement dans une cavité[...]