Brevet FR2680289A1 — publié le 19930212

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un laser à électrons libres à onduleur perfectionné Elle trouve une application dans la production de rayonnements cohérents dans une plage allant du domaine submillimé- trique au proche infrarouge.1 0- Etat de La technique antérieure Un laser à électrons libres comprend schématiquement une source d'électrons, une structure accélératrice pour donner à ces électrons des vitesses relativistes et divers déviateurs permettant d'introduire le faisceau accéléré dans une structure magnétique dite onduleur (ou "wiggler" en terminologie anglo-saxonne) Cet onduleur est formé d'aimants alternés créant un champ magnétique transverse, alterné et périodique A l'intérieur de cet onduleur, le faisceau d'électrons subit des déflexions dans le plan perpendiculaire au champ magnétique A la sortie, le faisceau d'électrons est à nouveau défléchi par un déviateur et finalement absorbé par un atténuateur. Deux miroirs peuvent encadrer l'onduleur. L'onduleur est le siège d'une interaction entre le faisceau d'électrons et une onde électro- magnétique créée lors des déflexions du faisceau. Si certaines conditions sont respectées, l'onde électromagnétique est amplifiée aux dépends de l'énergie du faisceau d'électrons Un faisceau électromagnétique intense et cohérent est alors émis par la structure. On peut trouver une description de ce dispo- sitif dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3,822,410 déLivré à John M J MADEY. Les lasers à éLectrons libres sont des sour- ces de rayonnement remarquables, essentielement pour deux raisons: d'abord parce qu'ils permettent un accord en longueur d'onde; ensuite parce que le milieu amplificateur étant constitué par un faisceau d'élec- trons dans le vide, ils peuvent fonctionner à de très fortes puissances, sans être le siège de phénomènes10 de claquage comme on en rencontre dans d'autres types de laser (à solide, à gaz ou à liquide). Cependant, ces dispositifs présentent dans certaines applications un inconvénient Le spectre du rayonnement qu'ils émettent est très large et évolue généralement de manière cahotique d'un passage à l'au- tre dans l'onduleur De toute manière, la Largeur du spectre est fixée par construction et, dans certains cas, on souhaiterait pouvoir régler cette largeur pour l'optimiser en fonction de L'application.20 Pour obtenir ce résultat, on pourrait intro- duire dans la zone d'interaction divers moyens de sélection en longueur d'onde, fonctionnellement équiva- lents à un monochromateur Mais, ce faisant, L'un des avantages soulignés plus haut disparaîtrait à25 savoir l'absence de tout mi Lieu matériel susceptible de gêner l'obtention de très fortes puissances. L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient Elle permet d'obtenir un spectre beaucoup plus étroit que dans L'art antérieur, sans qu'il soit besoin d'adjoindre des éLéments physiques sur le trajet du faisceau; par ailleurs, el Le permet un réglage de la largeur du spectre, très simple à mettre en oeuvre. Exposé de L'invention A cette fin, L'invention préconise d'agir uniquement sur Le champ magnétique produit dans L'ondu- Leur Se Lon L'invention, La réduction de La Largeur du spectre est obtenue par L'utilisation d'un ondu Leur particulier apte à créer un champ magnétique présentant une double périodicité (ou un double "pas", ou, si L'on veut encore une doub Le "Longueur d'onde" si L'on assimile Le champ magnétique périodique à une onde, ou encore une double "fréquence", à condition de donner à ce mot Le sens de "fréquence spatiale"). L'existence de cette double périodicité modifie profondément Les conditions d'interaction onde-électrons au sein de l'ondu Leur et provoque, de manière surprenante, une réduction sensible de La Largeur spectrale du rayonnement émis. De manière précise, La présente invention a donc pour objet un Laser à électrons libres compre- nant des moyens pour former un faisceau d'électrons, des moyens pour introduire ce faisceau suivant l'axe d'un onduleur, cet ondu Leur comprenant des moyens pour créer Le Long de son axe un champ magnétique transverse dont Le sens alterne périodiquement le Long de l'axe, ce Laser étant caractérisé par Le fait que L'ondu Leur comprend des moyens te Ls que Ledit champ magnétique soit La superposition d'un premier champ dont le sens alterne avec une première périodi- cité Le Long de L'axe et d'un second champ dont Le sens alterne avec une seconde périodicité Le Long de L'axe. De préférence, Les deux champs sont proches dans Leur périodicité mais très différents dans leur amplitude Le premier champ ayant une première périodi- cité Pl et une première amplitude Bl et Le second une seconde périodicité P 2 et une seconde amplitude B 2, l'écart relatif (P 2-P 1)/Pl des périodicités est de l'ordre de quelques pourcents et la seconde amplitude B 2 est de L'ordre du dizième de la première B 1. 5 Brève description des dessins la figure 1 représente schématiquement deux champs magnétiques transverses à périodicités différentes; La figure 2 montre un relevé de champ magnétique dans un onduleur conforme à L'invention; La figure 3 montre un premier exemple de réalisation d'un onduleur selon l'inven- tion; La figure 4 montre un second exemple de réalisation d'un ondu Leur se Lon L'inven- tion; la figure 5 montre Le spectre spatial du champ magnétique dans l'ondu Leur; Les figures 6 a, 6 b, 6 c montrent Le spectre d'émission spontanée pour l'art antérieur ( 6 a) et pour deux distributions particuliè- res du champ magnétique se Lon l'invention ( 6 b, 6 c); Les figures 7 a, 7 b, 7 c montrent Le gain d'amplification à faible champ électromagnétique pour L'art antérieur ( 7 a) et pour deux distributions particulières du champ magnétique selon L'invention ( 7 b, 7 c); la figure 8 montre L'évolution du rendement du Laser en fonction du nombre de passages de l'onde; les figures 9 a et 9 b montrent la fréquence re Lative de l'onde laser au 500 ième passage ( 9 a) et au 1000 ième passage ( 9 b) pour l'art antérieur et pour L'invention. Exposé détai LLé de modes de réalisation Selon l'invention, le champ magnétique créé par l'onduleur, s'il est bien toujours transverse par rapport à l'axe généra L de l'ondu Leur, comme dans l'art antérieur, présente comme originalité d'être la superposition de deux champs transverses de périodi- cités différentes Il est d'usage de décrire la varia- tion du champ magnétique d'un onduleur le long de l'axe de ce Lui-ci par une fonction sinusoidale, même si cette fonction n'est pas rigoureusement suivie dans La pratique On écrit donc, en général, Le champ transverse sous la forme Bcos( 2 '1 r Z/P +') o B est une amplitude, Z est la distance Le long de l'axe et P le pas du champ (ou sa période, ou, si l'on veut encore sa "Longeur d'onde" si l'on assimi- le Le champ à une onde dans l'espace), et o f est une phase. Selon l'invention, le champ est alors de la forme B 1 cos( 2 RZ/Pl + 1 l) + B 2 cos( 21 't Z/P 2 +hf 2) Par analogie avec les phénomènes vibratoires ayant des fréquences différentes, on peut définir un "battement" entre ces deux champs dont la fréquence est la différence des fréquences spatiales On peut ainsi définir une longueur d'onde de battement Pb, qui n'est autre que la période du champ global résul- tant de la superposition des deux champs: Pb = P 1 P 2/P 2-P 1. On peut définir aussi L'écart re Latif en fréquence Ef par: P 2 = P 1/( 1-Ef) ou Ef = (P 2-P 1)/P 2 ainsi que l'écart relatif en amplitude Ea par: Ea = B 2/(BI+B 2), ou B 2/B 1 = Ea/( 1-Ea). L'écart relatif en amplitude traduit l'ampli- tude relative du second champ par rapport au premier. On peut définir encore des potentiels norma- lisés par les expressions: al = Bl Pl e/mc 2 Wir a 2 = B 2 P 2 e/mc 2 t' et un taux de modulation m par: m = -d Pb/Pl avec d = 2 a 1 a 2/( 1 +a 12 +a 22). Quant aux phases 'l et '2, on peut prendre, par exemple, mais sans que cela constitue une limita- tion de l'invention, 'l = O et 'f 2 =îIt/2, ce qui revient à considérer que le champ est la superposition d'un champ en cosinus et d'un champ en sinus. La figure 1 montre ainsi, de manière schéma- tique, un premier champ en cosinus, d'amplitude Bl et de période Pl et un second champ en sinus, d'ampli- tude B 2 et de période P 2. Dans la pratique, le champ en sinus et d'am- plitude beaucoup plus faible que le champ en cosinus mais les périodes Pl et P 2 sont proches C'est ce qui est représenté approximativement sur la figure 1. De façon plus précise, B 2 est de l'ordre du dizième de Bl (en pratique B 2 est compris entre 0,01 Bl et 0,3 B 1). De même, l'écart relatif des pas P 2-P 1/Pl est de l'ordre du dizième (en pratique compris entre 0,01 et 0,1). On voit ainsi, sur la figure 1, un champ en cosinus de période 16 unités arbitraires et un champ en sinus de période 20 unités, ce qui correspond à un rapport Ef =(P 2-P 1)/P 2 de 0,2 et à une longueur de battement Pb de 80 unités. Pour employer une terminologie propre à la radioélectricité, on pourrait dire que le champ magnétique dans l'onduleur est la superposition d'une "onde porteuse" (en Blcos 2 îr Z/P 1) modulée par une onde plus faible et de fréquence proche B 2 sin 2 ' 'r Z/P 2). L'onduleur possède une longueur L Dans l'art antérieur, cette longueur est égale à N fois Le pas unique P du champ magnétique (L=NP) Dans Le cas de l'invention, la Longueur L de l'onduleur peut être égale à la longueur d'onde de battement Pb ou à un multiple de celle-ci. La figure 2 est un relevé du champ magnétique transverse dans un onduleur à double périodicité selon l'invention L'axe des abscisses correspond à l'axe longitudinal de l'onduleur Les unités sont en mil- limètres Dans le cas illustré, L'onduleur présente une longueur d'un mètre La figure 2 montre bien le "battement" des deux champs, la longueur d'onde du battement étant, dans le cas représenté, légèrement inférieure à La longueur totale de l'onduleur. Pour réaliser l'onduleur de l'invention, on peut utiliser largement les techniques connues dans l'art antérieur Sur la technologie générale des onduleurs, on peut citer, par exemple, l'artic Le de G A DEIS et a L du Lawrence Livermore National Laboratory et de K HALBACH du Lawrence Berkeley Labo- ratory, intitu Lé "E Lectromagnetic Wiggler Technology Development At The Lawrence Livermore Nationa L Labora- tory" publié dans la revue IEEE Transactions on Magne- tics, vol 24, n 2, Mars 1988, p 986-989. Pour réaliser un onduleur à double pério- dicité, on peut s'inspirer également des solutions connues pour modifier les paramètres d'un onduleur. On sait ainsi qu'il est possible de réaliser des ondu- leurs avec des aimants permanents alternés et des pièces polaires disposées entre aimants dans une confi- guration dite de HALBACH Les aimants peuvent être déplacés transversalement pour régler Le champ magnéti- que en regard des pièces polaires correspondantes. On peut ainsi régler soit l'intervalle entre pièces polaires (le "gap" selon la terminologie anglo- saxonne) soit l'amplitude du champ magnétique le long de l'axe de "l'onduleur, par exemple pour diminuer progressivement ce champ ("tapering" en terminologie anglosaxonne) On pourra consulter à ce sujet l'arti- cle de Mark CURTIN et al intitulé "Initial Results of Operating The Rocketdyne Undulator in a Tapered Configuration" publié dans la revue Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 296 ( 1990) 69-74, p 69-74 ou l'article de N M KROLL et al intitulé "Free-Electron Lasers with Variable Parameter Wigglers" publié dans la revue IEEE Journal of Quantum Electro- nics, vol QE-17, no 8, Août 1981 On notera attentive- ment toutefois qu'un onduleur à amincissement de champ ("taper") n'est pas un onduleur à double périodicité, comme celui de l'invention. Les auteurs cités précédemment qualifient d'adiabatique le lent amincissement du champ Par analogie et par opposition, le profil particulier avec battement de fréquence donné au champ dans le laser de l'invention (Fig 2), peut être qualifié, lui, de "non adiabatique". La figure 3 i L Lustre un premier mode de réa Lisation possible d'un onduleur à double pério- dicité L'onduleur représenté comprend deux sous-ensembles 10 et 20 disposés symétriquement de part et d'autre part de L'axe zz' Chaque ensemble comprend des pièces polaires PP, par exemple en fer10 doux, entre lesquelles sont insérés des aimants permanents Ces aimants comportent chacun, près de l'axe, une ou (plusieurs) partie(s) telle(s) que A (et B) à proximité de l'axe zz' et positionnée(s) avec précision par rapport aux pièces polaires et à L'axe, et, éloignée de l'axe, une partie C dont la distance à l'axe est réglable Le flux magnétique dans les pièces polaires PP est symbolisé par des flèches verticales Par ailleurs, les sous- ensembles et 20 peuvent être déplacés, l'un par rapport à l'autre, dans le sens de l'axe zz' par des moyens non représentés qui sont essentiellement deux châssis horizontaux sur lesquels sont fixés les deux sous- ensembles. Sur l'exemple de la figure 3, les sous-ensem- bles 10 et 20 sont décalés d'un quart de période. Ce point est fondamental pour obtenir les composantes en cosinus et sinus nécessaires à l'invention; faute de quoi une modulation d'amplitude simple créerait trois fréquences au lieu de deux En réglant La30 position de La partie C des aimants, on peut ajuster Le pas du battement et son amplitude. Sur la figure 4, est illustrée une variante dans laquelle une partie A des aimants, située à proxi- mité de L'axe zz', est constituée par un cylindre, une autre partie B, éloignée de l'axe étant de forme para LLéLépipédique Dans le cylindre A, le champ magnétique est orienté selon la somme vectorielle des deux champs représentés par des flèches Ces 5 aimants cylindriques, tous identiques, sont tournés d'un demi-tour l'un par rapport à l'autre. On peut aussi remplacer en partie ou en totalité les aimants permanents par de petites bobines conductrices équipées d'un noyau magnétique.10 On voit, sur la figure 5, une courbe qui représente la répartition spatiale des divers compo- sants du champ magnétique obtenu avec l'onduleur de l'invention, autrement dit le spectre (spatial) du15 champ. Cette courbe n'est autre que la transformée de FOURIER spatiale du champ On voit que ce spectre comprend un premier pic à 28,4 mm, (qui correspond à la première périodicité Pl du premier champ en cosi- nus) et un second pic, moins intense, à environ 31 mm, (qui correspond à la seconde périodicité P 2 du second champ en sinus). La largeur des pics est liée à la longueur finie de l'onduleur Plus l'onduleur est long plus ces pics sont étroits. Ce spectre a été obtenu sur un ondu Leur dit de HALBACH, constitué d'aimants permanents alternés et dont l'amplitude a été modulée. Les figures 6 a, 6 b et 6 c représentent la variation de l'intensité lumineuse spontanée en fonc- tion de la longueur d'onde (exprimée en microns). La figure 6 a correspond à L'art antérieur, c'est-à-dire à un écart relatif en fréquence Ef nul, (P 2 =P 1) et à un écart relatif en amplitude Ea également nul 1 1 (B 2 =B 1) Ce spectre correspond à La fonction usuel Le en sin x/x. Lorsque, selon L'invention, Les pas et les amplitudes des deux composants diffèrent, il apparait de nouveaux pics dans le spectre La figure 6 b correspond au cas o Ea = 0,15 et Ef = 0,03 En première approximation, ces pics sont séparés par un intervalle égal à l'inverse de la longueur d'onde de battement. Lorsque l'écart relatif en fréquence Ef augmente et passe à 0,10 (pour un même écart relatif en amplitude de 0,15) le spectre présente plusieurs pics mieux séparés (Fig 6 c). Par des considérations qui sortiraient du cadre de cette description, on peut montrer que, de façon généra Le, le spectre obtenu est une somme de pics déca Lés par rapport à un pic central, le poids du pic de rang N étant lié à la fonction de BESSEL de rang n, Jn(m), la variable étant le taux de modula- tion m Lorsque ce taux de modulation est nul, seul un pic est présent (n= 0) Dès que le taux augmente d'autres pics apparaissent de rang + N et le pic cor- respodant à n=O peut être rapidement dominé par les pics latéraux correspondant à n=l, n= 2, etc L'écart relatif entre les différents pics est proportionnel à l'écart relatif en fréquence Ef et dépend donc de la période de battement Pb, alors que la largeur des pics est liée à la longueur de l'ondu Leur Dans le cas o Ef est suffisamment grand (ce qui correspond à un pas de battement très inférieur à la longueur de l'onduleur), les pics n'interfèrent pas les uns avec les autres C'est le cas sur la figure 6 c o l'on reconnaît bien la présence de trois pics. En revanche, si le pas de battement est de l'ordre de la longueur de l'onduleur, il y a interférence entre les pics et le spectre est plus complexe (fig 6 b). Les figures 7 a, 7 b et 7 c montrent Le gain d'amplification en fonction de La longueur d'onde (exprimée en microns) dans le cas d'un signal supposé faible, Le régime étant supposé Linéaire Ce régime permet de caractériser le fonctionnement du laser à faible signal On peut alors relier le gain d'ampli- fication Linéaire à faib Le signal au rayonnement spon- tané dans l'ondu Leur, comme pour Les Lasers à éLectrons Libres de L'art antérieur, o ce Lien entre gain d'am- p Lification et rayonnement spontané est désigné parfois par "théorème de MADEY". La figure 7 a correspond encore au cas de L'art antérieur (Ea=O, Ef=O) La courbe de gain est La courbe classique te L Le qu'on la trouve, par exemple, dans Le brevet américain cité p Lus haut déLivré à J MADEY. La courbe de La figure 7 b correspond à Ea= 0,15 et Ef=O,03 Ce cas, comme déjà souligné à propos de La figure 6 b, correspond à une Longueur de battement comparable à La Longueur de L'ondu Leur. Pour La courbe de La figure 7 c, Ea= 0,15 et Ef= 0,10 et La Longueur de battement est beaucoup p Lus petite que La Longueur de L'ondu Leur Le gain se décompose a Lors en trois zones bien distinctes. Chacune correspond sensiblement au cas c Lassique mais à trois Longueurs d'onde différentes (respectivement vers 10,6 Vm, 11,6 lm et 13;m). Entre La situation de L'art antérieur (Fig 7 a) et ce L Le de La figure 7 c, La situation de La figure 7 b est moins claire, car Les diverses zones interfèrent Le cas de La figure 7 b est donc potentie L Lement riche de conséquences et constitue La zone de fonctionnement privilégiée de L'invention. En régime de saturation du laser, La situa- tion devient un peu plus comp Lexe, car La présence du battement de champ magnétique modifie profondément L'interaction éLectrons-photons On sait que, dans un Laser à électrons libres classique, les trajectoires stab Les liées induisent des raies sate L Lites (appe Lées "sideband") dans le rayonnement, Lesque L Les raies sont à l'origine d'un élargissement spectral observé après quelques centaines de passages (comme expliqué dans l'article de D IRACANE et J L FERRER, publié dans "Physica L Review Letters, vo L 66 ( 1991), 33). Une déstabilisation des trajectoires semble créée par la deuxième périodicité du champ dans L'ondu Leur de L'invention, ce qui perturbe et donc limite L'amp Li- fication sur ces raies sate L Lites et conduit, par conséquent, à une Limitation de L'éLargissement spec- tra L Les figures 8 et 9 a et 9 b permettent d'i L- lustrer les résultats obtenus. La figure 8, tout d'abord, montre Le rende- ment d'extraction R, c'est-à-dire L'énergie laser extraite de La cavité optique par rapport à L'énergie électronique Ce rendement est exprimé en pourcents. La figure 8 montre à La fois le rendement pour un Laser de L'art antérieur (courbe en trait plein) et ce rendement pour un Laser se Lon l'invention dans le cas o Ea= 0,175 et Ef= 0,035 En abscisses, figure Le nombre de passages de L'onde Laser dans l'onduleur. On voit que Le rendement à saturation reste voisin de 4 %, ce qui est Légèrement inférieur au rende- ment des Lasers classiques, qui est de l'ordre de % L'invention n'apporte donc rien de bénéfique à cet égard Mais, pour le rendement exprimé en fonction de La fréquence, Les résu Ltats tournent très nettement à L'avantage de L'invention comme Le montrent Les figures 9 a et 9 b Sur ces figures, Le rendement est porté en ordonnées avec, en abscisses, La fréquence re Lative de L'onde par rapport à La fréquence princi- pa Le Ces courbes sont donc des courbes de finesse. La figure 9 a correspond au 500 ième passage de L'onde et La figure 9 b au 1000 ieme passage La courbe en trait p Lein correspond, dans Les deux cas, à L'art antérieur et La courbe en tirets à un Laser se Lon L'invention avec Ea= 0,175 et Ef= 0,035. On voit La modification spectaculaire obtenue grâce à L'invention: Le spectre d'émission est beau- coup p Lus étroit L'introduction d'une doub Le pério- dicité dans L'ondu Leur (ou, si L'on veut, d'un bat- tement ou d'une modulation du champ magnétique) induit des effets marqués sur Le spectre d'émission du Laser en réduisant sensiblement La Largeur de ce spectre. La modification très simp Le à effectuer de La p Lace des aimants dans des structures du type de ce L Les des figures 3 et 4 permet de rég Ler La Lar- geur du spectre. REVENDICATIONS 1 Laser à électrons Libres comprenant des moyens pour former un faisceau d'électrons et pour introduire ce faisceau suivant l'axe d'un onduleur, cet onduleur comprenant des moyens pour créer le long de son axe un champ magnétique transverse dont Le sens alterne périodiquement le long de l'axe, ce laser étant caractérisé par le fait que l'onduleur comprend des moyens tels que Ledit champ magnétique soit la superposition d'un premier champ dont le sens alterne avec une première périodicité le Long de l'axe et d'un second champ dont le sens alterne avec une seconde périodicité le long de l'axe. 2 Laser à électrons libres selon la revendi- cation 2, caractérisé par Le fait que le premier champ ayant une première périodicité Pl et une première amplitude Bl et le second champ une seconde périodicité P 2 et une seconde amplitude B 2, l'écart relatif (P 2-P 1)/Pl des périodicités est de l'ordre de quelques pourcents et La seconde amplitude B 2 est de L'ordre du dizième de La première B 1. 3 Laser à électrons libres selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'onduleur comprend un premier et un second sous-ensembles ( 10, 20) placés symétriquement par rapport à l'axe (zz') de l'ondu Leur, chaque sous-ensemble étant formé d'une alternance périodique de pièces polaires (PP) et de moyens de création d'un champ magnétique, ces deux sous-ensembles étant décalés l'un par rapport l'autre dans le sens de l'axe (zz'). 4 Laser à électrons libres selon la revendi- cation 3, caractérisé par le fait que les moyens pour créer un champ magnétique sont des aimants permanents. Laser à électrons libres selon la revendi- cation 4, caractérisé par le fait que chaque aimant permanent comprend une partie (A ou AB) située à proxi- mité de l'axe (zz') de l'onduleur et une partie (C) éLoignée de l'axe (zz'), La distance à l'axe de cette partie (C) étant réglable. 6 Laser à électrons libres selon la revendi- cation 4, caractérisé par le fait que chaque aimant comprend une partie cylindrique (A) disposées à proxi- mité de l'axe et une partie parallèLépipédique éloignée de l'axe, la distance à l'axe de cette partie paral- lélépipédique étant réglable.