SwissFEL – la machine : lumière laser par amplification en avalanche

Le rayonnement X du SwissFEL aura les propriétés de la lumière Laser. La lumière est une onde et la lumière qui fait partie de notre quotidien est constituée la plupart du temps de nombreuses ondes non coordonnées – Les spécialistes parlent de lumière non cohérente. La lumière laser par contre est cohérente, ses ondes sont en phase. Cela signifie que les crêtes et les creux de toutes les ondes coïncident. Ces oscillations coordonnées engendrent l’intensité de la lumière Laser. En effet, toutes les ondes de la lumière s’additionnent de manière constructive, et la lumière peut atteindre un niveau d’intensité maximum – de même que plusieurs personnes dans une barque ramant en même temps dans la même direction peuvent en accélérer le mouvement.

Dans SwissFEL le rayonnement X est émis par électrons lors de leur course à travers l’onduleur. Les électrons sortant de l’accélérateur arrivent par longs paquets. Lors de leur course à travers l’onduleur les électrons émettent des rayons X et – ceci est la particularité d’un FEL (Free Electron Laser pour l’acronyme anglais) – cette lumière agit en retour sur le paquet d’électrons et le transforme. C’est à dire que sous l’influence des rayons X, le grand paquet d’électrons est pour ainsi dire coupé en rondelles, qui poursuivent leur course, l’une derrière l’autre séparées par une distance identique à la longueur d’onde de la lumière émise. Ainsi, tous les rondelles ou microbunches en anglais venant d’être constitués rayonnent leur lumière en phase et la lumière ainsi produite est maintenant plus forte que celle qui précédemment avait agi sur le paquet d’électrons. Elle a été amplifiée. Le processus se poursuit, les microbunches deviennent plus courts, et la lumière toujours plus forte. Les spécialistes parlent d’amplification en avalanche pour témoigner de cette rétroaction de la lumière sur le paquet d’électrons Le processus au cours duquel les grands paquets d’électrons sont fragmentés en petits paquets est appelé Microbunching.

Un semis pour la lumière

Dans SwissFEL la production de rayons X laser ne démarre pas d’elle même. Elle nécessite toujours un peu de lumière qui peut ensuite être amplifiée. Dans le cas le plus simple on utilise un peu de la lumière émise spontanément par les électrons au début de leur trajet à travers l’onduleur. Celle-ci sera ensuite amplifiée, jusqu’à obtention d’un flash laser. L’inconvénient de ce procédé est que pour certaines applications on ne peut pas choisir avec la précision souhaitée, quelles sera la longueur d’onde de la lumière amplifiée. Ainsi les différents flashs de lumière générés se ressembleront (longueur d’ondes proches mais pas identiques) tous plus ou moins sans être exactement identiques. Cela peut dans certains cas rendre le fonctionnement des installations expérimentales plus difficile.

Une alternative serait d’intégrer de la lumière extérieure ayant une longueur d’onde précise qui pourrait en quelque sorte servir de semis ou d’incubateur pour le Laser à rayons X.

Ainsi on pourrait prédéterminer les caractéristiques du flash laser final. Mais le problème qui se pose ici est qu’en fait seul un laser à rayonnement X pourrait servir de semis et permettre de produire de la lumière, or celui-ci n’est pas disponible. L’objectif des chercheurs du programme SwissFEL est de trouver un moyen qui permette d’utiliser ce processus dénommé Seeding (littéralement = ensemencement) et de l’appliquer au SwissFEL.

Texte: Paul Piwnicki