LASERS À ÉLECTRONS LIBRES

Le LEL infrarouge

Un LEL est plus facile à réaliser pour de grandes longueurs d'onde, et il est moins coûteux car les énergies des faisceaux d'électrons sont plus basses : de 5 à 50 MeV pour l'infrarouge, par exemple. Ces énergies peuvent être obtenues grâce à un accélérateur linéaire de quelques mètres de longueur mais qui doit néanmoins être blindé vis-à-vis des radiations ionisantes, ce qui exige une infrastructure assez lourde. Les LEL ont comblé le manque évident de lasers puissants et accordables dans l'infrarouge. Ils offrent une large gamme spectrale, de fortes crêtes, des impulsions courtes et leur domaine spectral peut s'étendre de l'infrarouge proche jusqu'au domaine millimétrique.

Les applications de ces lasers sont très variées. Elles incluent notamment des études de surfaces, des études de dynamique moléculaire et de dynamique de nanostructures. Les centres serveurs LEL dans le domaine infrarouge, à la disposition des scientifiques, tendent à devenir des centres « multilasers » où divers types de lasers à impulsions courtes, synchronisés avec le LEL, permettent des expériences multiples en associant les domaines spectraux de l'ultraviolet, du visible et de l'infrarouge proche et lointain.

Le LEL en mode SASE dans les rayons X

À côté des LEL infrarouges, fonctionnant sur des petits accélérateurs linéaires, la communauté scientifique s'est intéressée au LEL à courtes longueurs d'onde utilisant des accélérateurs d'énergie bien supérieure (et donc beaucoup plus longs) : de 500 MeV à 20 GeV, selon l'objectif.

Pour mettre en œuvre ce type de LEL, il a fallu surmonter deux problèmes :

– l'absence de miroirs possédant une réflectivité suffisante couvrant une large gamme spectrale ;

– l'obtention de faisceaux d'électrons de qualité suffisante.

Pour résoudre la première difficulté, on a imaginé de réaliser des LEL fonctionnant sans cavité optique (donc sans miroirs), c'est-à-dire en mode SASE. L'idée est séduisante sauf que la qualité du faisceau d'électrons doit être d'autant meilleure, ce qui augmente la seconde difficulté : en particulier, il faut un courant d'électrons d'intensité crête très élevée (supérieure à 1 000 ampères), une divergence très faible du faisceau d'électrons (de l'ordre de 0,1 μrad) et l'onduleur doit être très long, jusqu'à une centaine de mètres, et d'une précision inégalée.

Seuls les accélérateurs linéaires de grande longueur sont capables de performances compatibles avec le SASE. En effet, les excitations dues à l'émission de grandes quantités de rayonnement synchrotron dans les anneaux de stockage (accélérateurs circulaires) limitent les performances de ceux-ci. En revanche, les performances des accélérateurs linéaires peuvent être meilleures en théorie, même si celles qui sont demandées ont constitué un véritable défi technologique. De plus, ces accélérateurs peuvent fournir des impulsions d'électrons d'une durée de l'ordre de quelques centaines de femtosecondes (une femtoseconde [fs] est égale à 10^—15 seconde), ce qui est particulièrement intéressant pour de nombreuses applications.

Avec les progrès techniques réalisés, une expérience menée à Hambourg (Allemagne), au laboratoire Desy (Deutsches Elektronen Synchrotron) a permis d'atteindre, depuis 2005, un rayonnement laser dans les longueurs d'onde courtes (7 nanomètres [nm] en 2008) avec la technique SASE. Cette expérience a été rendue possible grâce à la construction d'un prototype d'accélérateur qui a désormais été transformé en un centre serveur, fournissant aux scientifiques un faisceau laser accordable entre 50 et 6 nm.

L'effet laser dans les rayons X a été obtenu, en avril 2009, au laboratoire[...]