Brevet FR2662297A1 — publié le 19911122

ONDULEUR POUR LASER A ELECTRONS LIBRES Description La présente invention a pour objet un onduleur pour laser à électrons libres. Elle trouve une application dans la production de rayonnement cohérent dans une plage allant du submillimétrique au proche infrarouge. Un laser à électrons libres selon l'art antérieur est schématiquement représenté sur la figure 1. Il comprend une source d'électrons K, engendrant un faisceau d'électrons, une structure accélératrice ACC accélérant ce faisceau jusqu'à des vitesses relativistes, des déviateurs DEV1, DEV2 permettant d'introduire le faisceau accéléré dans une structure magnétique W dite onduleur (ou "wiggler" en terminologie anglo-saxonne) formée d'aimants périodiquement alternés. A l'intérieur de cet onduleur, le faisceau d'électrons subit une série de déflexions de sens alternés. A la sortie, Le faisceau d'électrons est à nouveau défléchi par un déviateur DEV3 et finalement absorbé par un atténuateur A. Deux miroirs M1 et M2 encadrent l'onduleur. Dans la variante représentée, un oscillateur OSC délivre un faisceau électromagnétique L1 qui traverse l'onduleur. Celui-ci est le siège d'une interaction entre le faisceau d'électrons et le faisceau électromagnétique. Si certaines conditions sont respectées, l'onde électromagnétique est amplifiée aux dépens de l'énergie du faisceau d'électrons. Un faisceau Laser intense et cohérent L2 est émis et dirigé vers les moyens d'utilisation. Une structure à électrons libres peut fonctionner également en oscillateur. Dans ce cas, les miroirs M1 et M2 sont parallèles et forment une cavité résonante. L'oscillateur OSC est naturellement absent dans ce cas. Dans ce qui suit, Le mot "laser" doit donc être pris aussi bien dans le sens d'amplificateur que d'oscillateur. On peut trouver une description de ce dispositif dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique US-A-3 882 410. Dans ce type de Laser, il existe plusieurs causes d'instabilité de la fréquence du faisceau lumineux. En particulier, dans la phase d'amorçage, alors que le laser n'a pas encore atteint son régime de fonctionnement, les électrons, mi lieu amplificateur du Laser, ne possèdent pas une fréquence propre stable. Cela est dû aux phénomènes non linéaires d'échange d'énergie entre ces électrons et l'onde électromagnétique créant le faisceau laser. On observe donc une dérive de la fréquence du faisceau lumineux délivré pendant cette phase. De manière générale, l'accélération du faisceau d'électrons délivré par la source d'électrons K n'est pas constante et ses variations entraient des instabilités sur la fréquence du faisceau laser. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Pour cela, elle propose de fournir au faisceau d'électrons se propageant à l'intérieur de l'onduleur, l'énergie qui lui manque pour 1) maintenir le gain du mi lieu amplificateur constant pendant toute la phase d'amorçage, 2) compenser les variations d'accélération du faisceau d'électrons. De cette manière, l'énergie des électrons est régulée sur tout le parcours intérieur à l'onduleur et la fréquence du faisceau laser est stable. A cette fin, l'invention propose un onduleur muni de plusieurs électrodes du type tubes de glissement, isolées les unes des autres et portées à des potentiels différents et variables à volonté. Les électrons pénètrant dans L'onduleur se propagent à l'intérieur de ces tubes de glissement qui permettent d'établir de nouveaux échanges d'énergie permettant le maintien du gain à sa valeur maximum pendant la phase d'amorçage et la compensation des variations d'accélération. Selon un premier mode de réalisation, chaque tube de glissement est un tube conducteur maintenu isolé des parois de L'onduleur. Selon un autre mode de réalisation, un tube de glissement comporte deux plaques conductrices en regard disposées de part et d'autre du parcours des électrons et portées au même potentiel. De manière avantageuse, les plaques conductrices sont des couches conductrices déposées sur un support isolant fixé sur les parois de l'onduleur. Préférentiellement, les variations des potentiels sont en relation avec des variations d'énergie des électrons traversant l'onduleur. Les potentiels sont supérieurs ou égaux à zéro de manière à fournir de l'énergie aux électrons. Pour cela, avantageusement, les tubes de glissement successifs sont portés à des potentiels de valeurs croissantes comprises entre une plus faible valeur appliquée sur le tube de glissement situé à l'extrémité d'entrée de L'onduleur, et une plus forte valeur appliquée sur le tube de glissement situé à l'extrémité de sortie de l'onduleur. Préférentiellement, les potentiels appliqués sur les tubes de glissement successifs ont des valeurs régulièrement croissantes. Les caractéristiques et avantages de L'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1, déjà décrite et relative à l'art antérieur, représente schématiquement un Laser à électrons Libres, - la figure 2 représente schématiquement un onduleur conforme à l'invention, - la figure 3 représente schématiquement une autre réalisation d'un onduleur conforme à L'invention. En référence à la figure 2, on décrit maintenant un premier mode de réalisation d'un onduleur conforme à l'invention. Ce dernier comprend une structure magnétique qui, dans l'exemple représenté, comporte deux empilements 10, 12 d'aimants périodiquement alternés. Le faisceau d'électrons parcourt l'onduleur entre ces deux empilements d'aimants. Les faces intérieures des empilements d'aimants sont recouvertes d'une couche isolante 14, par exemple en alumine et ayant une épaisseur d'environ 1 à 2 mm. Ces couches 14 servent de support à des tubes de glissement isolés électriquement les uns des autres par des espacements suffisants. A titre d'exemple, un onduleur de 2 m de long peut comporter dix tubes de glissement d'une vingtaine de centimètres chacun. Dans cette réalisation, chaque tube de glissement est composé de deux électrodes 16a, 16b en forme de plaque. Ces électrodes sont disposées en vis-à-vis et reposent chacune sur une couche isolante 14 différente. Ces électrodes 16a, 16b peuvent être réalisées par des dépôts de matériau conducteur, par exemple de l'or. Les couches conductrices peuvent avoir une épaisseur d'environ 1 ym. Les électrodes 16a et 16b composant un tube de glissement sont reliées entre elles par une connexion 18. Un générateur de potentiel rapide 20, par exemple du type des amplificateurs utilisant des tubes de haute tension, est connecté à chaque paire d'électrodes 16a, 16b. Chaque générateur 20 est apte à délivrer un potentiel positif variable au cours du temps. D'autre part, chaque générateur 20 est connecté à des moyens de commande 22, eux-mêmes reliés à la source d'électrons K. Au démarrage de la phase d'amorçage, tous les tubes de glissement sont portés à un potentiel de O V par exemple. Pendant la phase d'amorçage qui dure sensiblement 1 Zs, chaque tube de glissement est porté à un potentiel différent : le tube de glissement situé à l'extrémité d'entrée de l'onduleur reste à O V, les autres tubes de glissement sont portés progressivement à des potentiels positifs dont la valeur est d'autant plus importante que le tube de glissement concerné est près de l'extrémité de sortie de L'onduleur. Ainsi, au terme de la phase d'amorçage, le tube de glissement situé à l'extrémité de sortie de l'onduleur peut, par exemple, être porté à un potentiel de 30 kV pour un faisceau d'électrons d'énergie comprise entre 3 et 6 MeV, les autres tubes (en allant vers l'extrémité d'entrée de l'onduleur) étant portés à des valeurs positives de potentiel régulièrement de plus en plus faibles, le tube situé à l'extrémité d'entrée de l'onduleur étant porté à un potentiel nul. De cette manière, on fournit un apport d'énergie au faisceau d'électrons traversant L'onduleur qui permet de conserver un gain maximum pendant toute la phase d'amorçage. Il s' avère que très rapidement après sa mise en service, la source d'électrons chute en tension et que les électrons fournis sont de moins en moins accélérés. Au terme de la phase d'amorçage, les générateurs 20, commandés par les moyens de commande 22 en relation avec la chute de potentiel de la source K, appliquent des potentiels positifs croissants à partir des valeurs obtenues à La fin de la phase d'amorçage sur chacun des tubes de glissement. Ces augmentations de potentiel permettent de compenser les chutes de potentiel de la source K. L'augmentation de chacun des potentiels appliqués peut être par exemple de 10 kV en 10 clos. Ainsi, en 10 Fs le tube de glissement situé à l'extrémité d'entrée de l'onduleur passe de O V à 10 kV ; le tube de glissement situé à l'extrémité de sortie de L'onduleur passe de 30 kV à 40 kV. La figure 3 représente schématiquement une variante de réalisation d'un onduleur conforme à l'invention. Ici, les tubes de glissement sont réalisés par des tubes conducteurs 24 présentant une section rectangulaire. L'espacement entre les tubes conducteurs 24 est suffisant pour que ceux-ci soient isolés électriquement les uns des autres. Les tubes conducteurs 24 sont maintenus entre les couches isolantes 14 déposées sur les faces internes des empilements d'aimants 10, 12. Comme précédemment, ces tubes conducteurs 24 sont connectés à des générateurs 20 pour l'application de potentiels variables. Un onduleur conforme à l'invention grâce à son système de tubes de glissement permet bien de rattraper les dérives énergétiques du faisceau d'électrons, milieu amplificateur d'un laser et par là de stabiliser la fréquence centrale du faisceau alumineux émis. Bien entendu, l'invention ne se limite nullement aux exemples de réalisation plus spécialement décrits et représentés ; elle en admet au contraire toutes les variantes. Elle s'applique à tous les types d'onduleurs, et en particulier, aux onduleurs hélicoidaux. Revendications 1. Onduleur pour laser à électrons libres, caractérisé en ce qu'il comprend, en son intérieur, plusieurs tubes de glissement (16a, 16b, 18) isolés les uns des autres et portés à des potentiels variables à volonté. 2. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tube de glissement comporte deux plaques conductrices (16a, 16b) en regard disposées de part et d'autre du parcours des électrons dans l'onduleur, ces plaques (16a, 16b) étant reliées par une connexion (18) de manière à être portées au même potentiel. 3. Onduleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques conductrices (16a, 16b) sont des couches conductrices déposées sur des couches isolantes (14) fixées sur des parois internes de l'onduleur. 4. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un tube de glissement comporte un tube conducteur. 5. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les variations des potentiels sont en relation avec des variations d'énergie des électrons traversant l'onduleur. 6. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les potentiels sont supérieurs ou égaux à zéro. 7. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes de glissement successifs sont portés à des potentiels de valeurs croissantes comprises entre une plus faible valeur appliquée sur Le tube de glissement situé à l'extrémité d'entrée de l'onduleur, et une plus forte valeur appliquée sur le tube de glissement situé à l'extrémité de sortie de l'onduleur. 8. Onduleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les potentiels appliqués sur les tubes de glissement successifs ont des valeurs régulièrement croissantes.