Brevet FR2945676A1 — publié le 20101119

/05 2009 VEN 15:40 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 296C 63 1 PROCEDE DE GENERATION ET SYSTEME LASER A ELECTRONS LIBRES PAR INTERACTION AVEC UN ONDULEUR LASER La présente invention concerne un système laser à électron libres et un procédé de génération d'un faisceau laser à électrons libres, par interaction avec un onduleur laser. DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine de la génération de faisceaux laser à électrons libres aptes à fournir des rayonnements de très courte longueur d'onde, dans une gamme spectrale allant de l'ultra-violet lointain aux rayons gamma. 15 Elle a plus particulièrement pour objet un système laser à électrons libres, comprenant un moyen de génération d'un paquet d'électrons relativistes apte à se propager suivant une direction de propagation et un moyen de génération d'un faisceau onduleur apte à interagir avec le paquet d'électrons relativistes. 20 Elle a également pour objet un procédé de génération d'un faisceau laser à électrons libres, comprenant une étape de génération d'un paquet d'électrons relativistes apte à se propager suivant une direction de propagation, et une étape de génération d'un faisceau onduleur apte à interagir avec le paquet d'électrons relativistes. 25 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE L'état de la technique dans ce domaine comporte différents types de lasers à rayons X, parmi lesquels les plus communément utilisés sont les lasers à rayons X en milieu plasma, dont un exemple est décrit dans le document de brevet US 6,693,989. Un 30 système de génération de rayonnements dans le domaine spectral des rayons X comprend des générateurs d'impulsion laser et de paquets d'atomes à l'état gazeux. L'impulsion laser est dirigée à l'intérieur du paquet d'atomes de manière à produire 15/05 2009 VEN 15:40 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 2 une excitation atomique, afin de retirer des électrons atomiques sélectionnés sans retirer tous les électrons. Une inversion de population est alors générée et une région de propagation, non-linéaire et en mode confiné, de rayonnements dans le domaine spectral des rayons X est établie. La densité du paquet d'atomes à l'état gazeux est 5 contrôlé dans cette région de propagation ainsi établie, de manière à éviter que la propagation des rayons X ne s'éteigne. L'invention décrite dans ce document permet d'obtenir un faisceau de photons dont la longueur d'onde est de 2,9 Angstrôms. Le système décrit présente néanmoins les 10 inconvénients majeurs suivants - l'énergie de photons est fixe, - le faisceau ne peut pas être contrôlé en divergence, ni en nombre de photons, ni en durée d'impulsion, - la synchronisation temporelle ne peut pas être contrôlée, - il nécessite l'emploi d'un laser excitateur à gaz de fluorure de xénon, fonctionnant à une longueur d'onde de 248 nm, qui est difficilement utilisable en dehors d'un laboratoire de recherche dédié. D'une manière plus générale, de tels systèmes laser présentent l'inconvénient de ne 20 pas permettre d'atteindre le domaine spectral des rayons X, mais plutôt celui des rayons XUV, -autrement dit le domaine des rayons X ultra-violets lointains. Un problème général dans ce domaine consiste ainsi à générer un faisceau laser dont les photons puissent avoir une énergie supérieure à une valeur seuil typique 25 dans la gamme ses rayons X, par exemple de 500 eV, c'est-à-dire une longueur d'onde inférieure à 2 nm. Un autre problème général dans ce domaine consiste en la synchronisation temporelle du faisceau laser X, qui ne peut généralement être définie à mieux que 30 quelques centaines de femtosecondes près. Pour résoudre les problèmes susmentionnés, il a été proposé de mettre en oeuvre 15/05 2009 VEN 15:41 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 2 96/763 3 des lasers à électrons libres en régime Compton, basé sur l'utilisation d'un accélérateur d'électrons couplé à une structure de type onduleur, apte à provoquer une ondulation transverse des électrons. C. PeIlegrini, � Design consideranons for a SASE X-ray FEL �, Nuci Tnst Meth, A 475 (2001) 5 1-12. Selon une première variante de laser à électrons libres X, l'accélérateur porte les électrons à des énergies de l'ordre de 10GeV et l'onduleur est de nature magnétique. 10 Cette variante ne permet cependant pas d'atteindre des énergies de photons X élevées, idéalement nettement supérieures à 10 keV, tout en présentant un coût et un encombrement significativement réduits. Selon une deuxième variante de laser à électrons libres X, l'accélérateur porte les 15 électrons relativistes à des énergies de l'ordre de 10 et 100 MeV et l'onduleur est un laser se propageant dans la direction opposée à la direction de propagation du paquet d'électrons relativistes. Cette variante présente plusieurs inconvénients principaux. Le premier est de nécessiter des dispersions en énergie � delta-gamma / gamma � des électrons du paquet qui soient extrêmement faibles (sensiblement inférieures à 1 %). Un deuxième est d'obtenir des émittances normalisées du paquet d'électrons très faibles (sensiblement inférieures à 1 mm.mrad). Une autre difficulté est de réaliser un éclairement laser rigoureusement constant dans la zone d'interaction (variations relatives d'éclairement sensiblement inférieures à 1% typiquement), sans possibilité simple de contrôler finement la distribution d'éclairement laser dans cette zone. Une autre solution technique pour créer des faisceaux de rayons K à haut flux (Z. Huang et R.D. Ruth. � Laser-electron storage ring �. Physical Review Letters, 80(5):976 û 9, 30 February 1998 ) consiste à utiliser un dispositif comprenant un anneau de stockage d'électrons relativistes, ou bien un ensemble d'un ou deux accélérateurs linéaires à récupération d'énergie, couplé à une cavité laser, active ou passive, sous la forme d'un résonateur 15/05 2009 VEN 15:41 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 5670 4 Fabry-Pérot de haute finesse. Ce dispositif de source compacte de lumière (� compact light source � en anglais) est également connu sous le nom de synchrotron Fabry-Pérot . 5 Cette solution présente cependant des inconvénients majeurs. Le premier est que le rayonnement X est très difficilement accordable, c'est-à-dire qu'il est très difficile de modifier l'énergie des photons X. Un deuxième inconvénient résulte du fait que cette source ne présente pas de cohérence spatiale ou temporelle propre, en dehors de la cohérence spatiale induite par l'éventuelle propagation libre du faisceau. Un autre 10 inconvénient réside dans la durée des impulsions X obtenues, typiquement de l'ordre de 1 à 10 picosecondes. Ainsi, aucune des solutions de l'état de la technique ne permet de fournir des faisceaux laser dans le domaine de l'ultra-violet lointain ou des rayons X, qui soient 15 accordables, de faible durée d'impulsions (par exemple de l'ordre de 5 à 100 femtosecondes), pour un coût et un encombrement raisonnables. De plus, aucune solution connue de I' état de la technique ne permet de fournir des faisceaux laser dans le domaine des rayons X durs (supérieurs ou très supérieurs à 10 keV), ou des rayons Gamma (très supérieurs à 100 keV). 20 OBJET DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de pallier aux insuffisances et inconvénients de II'état de la technique ci-dessus, en permettant la création d'un faisceau de photons 25 dans les domaines spectraux de l'ultra-violet lointain, des rayons X et des rayons gamma, à partir d'une interaction particulière entre un paquet d'électrons relativistes et un faisceau onduleur laser provenant d'une superposition spécifique. Dans ce but, l'invention a pour objet un système laser à électrons libres tel que décrit précédemment, dans lequel le faisceau onduleur est issu de la superposition, au niveau d'une zone d'interaction traversée par la direction de propagation du paquet d'électrons relativistes, d'au moins deux faisceaux laser se propageant dans des 15/05 2009 VEN 15:41 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 29M 610 directions différentes l'une de l'autre et différentes de la direction de propagation de ce paquet. Les faisceaux laser interfèrent entre eux de façon à créer un potentiel lumineux 5 périodique, dont les rninimas sont parallèles à la direction de propagation des électrons. La solution repose sur l'utilisation d'un onduleur de type onduleur laser, dans lequel l'onduleur résulte de la superposition d'au moins deux faisceaux lasers., Les vecteurs 10 polarisations de ces faisceaux permettent l'établissement de franges d'interférences, de façon à ce que le potentiel énergétique -dit potentiel pondéromoteur-, imposé aux électrons relativistes par l'éclairement laser, présente des oscillations dans au moins une direction orthogonale à la direction de propagation des électrons relativistes. 15 Dans ces conditions, les électrons relativistes peuvent être piégés dans au moins une direction transverse par le potentiel pondéromoteur par effet a Kapitza-Dirac en champ intense. Lorsque, de plus, la polarisation des lasers comprend une composante commune non nulle dans une direction orthogonale à la direction de déplacement des 20 électrons, alors un faisceau de rayonnement de courte longueur d'onde est formé dans la direction de propagation des électrons par : diffusion des photons laser sur les électrons relativistes avec un décalage spectral important par effet Doppler-Fizeau, et amplification des premiers photons diffusés par effet Raman stimulé. 25 Selon un mode particulier de réalisation, le faisceau onduleur est issu de la superposition de deux faisceaux laser. Dans ce dernier cas, il peut être avantageusement prévu, de façon à optimiser le 30 faisceau laser à électrons libres en sortie du système, que les deux faisceaux laser se propagent dans des directions opposées et, de plus, que les deux faisceaux laser se propagent dans des directions perpendiculaires à la direction de propagation du 15/05 2009 VEN 15:41 FAX 0149646120 NOVAGRAAF paquet. De préférence, le moyen de génération du paquet et le moyen de génération du faisceau onduleur sont synchronisés. De préférence, le moyen de génération du faisceau onduleur comprend une source laser dont le faisceau d'origine est décotipé de manière à former les faisceaux laser. Selon des variantes de mise en oeuvre du système : 10 - les longueurs d'onde des au moins deux faisceaux laser se situent dans le domaine proche infrarouge (800 nm à 1,05 p,m), les longueurs d'onde des au moins deux faisceaux laser se situent dans le domaine moyen infrarouge (1,1 !lm à 10 g n). 15 Selon des variantes de réalisation du moyen de génération du paquet d'électrons relativistes, celui peut comporter : - soit un LINAC AF(abréviation de � Accelérateur linéaire radiofréquence n), - soit un accélérateur laser par sillage plasma, - soit un anneau de stockage d'électrons. 20 Selon un mode particulier de réalisation, les faisceaux laser se propagent selon une géométrie d'onde inhomogène correspondant à une mise en forme spatiale et temporelle telle que le lieu du maximum d'énergie de chaque faisceau laser présente un décalage angulaire par rapport aux fronts de phase dans la zone d'interaction. De préférence, les faisceaux laser sont confinés à l'intérieur d'une cavité résonante optique. Selon des variantes de mise en oeuvre, le système comprend : 30 - des moyens de contrôle des fronts de phase, etlou des moyens de contrôle de phase spectrale. 6 5 25 15/05 2009 VEN 15:41 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 56'363 7 La présente invention concerne également un procédé de génération d'un faisceau laser à électrons libres. Ce procédé comprend une étape de génération d'un paquet d'électron relativistes apte à se propager suivant une direction de propagation et une étape de génération d'un faisceau onduleur apte à interagir avec le paquet 5 d'électrons relativistes. Il comprend également, de manière à générer le faisceau onduleur, une étape préalable d'interférence, au niveau d'une zone d'interaction traversée par la direction de propagation dudit paquet, d'au moins deux faisceaux laser se propageant dans des directions différentes l'une de l'autre et différentes de la direction de propagation dudit paquet,_une étape de piégeage des électrons 10 relativistes dans les franges d'interférence du faisceau onduleur par injection à l'entrée de la zone d'interaction, et une étape d'amplification dans l'onduleur d'un faisceau résultant de la diffusion des lasers sur les électrons relativistes. 15 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation, accompagnée de figures représentant respectivement : - la figure 1, un schéma d'un système laser à électrons libres selon un premier 20 mode de réalisation de l'invention, - la figure 2, des schémas illustrant différentes variantes de superposition de faisceaux laser de manière à générer l'onduleur laser, et - la figure 3, un schéma illustrant un exemple de découpe d'un faisceau laser en deux faisceaux se superposant dans la zone d'interactions, 25 EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS En référence à la figure 1, un système laser à électrons libres, selon un premier mode de réalisation de l'invention, comprend un générateur 2 d'un paquet 20 d'électrons relativistes 21, ainsi qu'un laser intense 3',3" synchronisé aux électrons. Le générateur 2 permet de générer un paquet 20 ayant une énergie typiquement entre 10 et 50 MeV. Des énergies supérieures sont également envisageables, selon 30 15/05 2009 VEN 15:41 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 56/763 8 des variantes où l'on souhaite par exemple coupler le générateur 2 à des lasers dans l'infrarouge moyen ou atteindre la gamme spectrale des rayons X très durs. En fonction de la variante de réalisation sélectionnée, ce générateur 2 peut être soit 5 un générateur LINAC RF ou un anneau de stockage, soit un accélérateur laser par sillage plasma. Le paquet 20 se propage suivant un axe de propagation, qui est représenté sur la figure 1 par l'axe Oz. II présente avantageusement une dispersion en énergie et ne 10 émittance normalisée aussi faibles que possible. Dans le cas d'une réalisation où le générateur 2 est un LINAC RF ou un anneau de stockage, le paquet 20 est mis en forme par une focalisation électronique adaptée. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, le laser 3',3" produit un faisceau 15 laser d'origine, qui est découpé en deux parties identiques 31 et 32, qui se propagent dans des directions opposées, suivant l'axe Oy perpendiculaire à l'axe Oz de propagation du paquet 20. Des moyens de direction des faisceaux jumeaux 31 et 32 sont prévus pour superposer lesdits faisceaux sur le chemin des électrons relativistes 21, c'est-à-dire au niveau de l'axe Oz de propagation du paquet 20 d'électrons. 20 La polarisation commune des deux faisceaux 31 et 32 est suivant l'axe Ox, respectivement perpendiculaire à l'axe Oy de propagation de ces deux faisceaux 31 et 32, et à l'axe Oz de propagation du paquet d'électrons. L'interférence entre ces deux faisceaux forme un onduleur 30. Il en résulte par diffusion cohérente des 25 photons dans l'onduleur la création d'un faisceau laser 5 de courte longueur d'onde, par exemple un manomètre De manière équivalente au mode de réalisation préféré ci-dessus, le moyen de propagation des deux faisceaux 31 et 32 est agencé pour permettre une propagation 30 desdits faisceaux suivant un axe non parallèle à l'axe Oy de la figure 1, mais toujours perpendiculaire à l'axe de propagation du paquet d'électrons (Oz), étant entendu que les axes Ox, Oy et Oz ne sont indiqués sur la figure 1 qu'à titre de références 15/05 2009 VEN 19:41 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 5 {v 63 9 spatiales aux fins d'une meilleure compréhension de l'invention. Ainsi, l'axe de propagation des deux faisceaux contra-propageants peut être n'importe quel axe appartenant au plan xOy orthogonal à l'axe (Oz) de propagation du paquet. 5 Selon d'autres variantes de mise en oeuvre, les deux faisceaux présentent chacun au moins une composante non nulle dans le plan xOy orthogonal à. la direction Oz de déplacement des électrons, sans pour autant que les deux faisceaux jumeaux ne se déplacent suivant un axe perpendiculaire à l'axe de propagation des électrons. 10 Selon encore d'autres variantes de mise en oeuvre, les deux faisceaux ne sont pas contre-propageants l'un par rapport à l'autre, mais leurs directions respectives de propagation présentent une inclinaison non nulle. On décrit maintenant différentes variantes de superposition de faisceaux laser de 15 manière à générer l'onduleur laser, en référence aux figures 2A et 2B. Dans la variante illustrée par la figure 2A, quatre faisceaux 33, 34, 35 et 36 interagissent au niveau d'une même zone 4, sur le chemin des électrons du paquet 20, le long de l'axe Oz. Les faisceaux 33 et 35, ainsi que les faisceaux 34 et 36, sont 20 contra-propageants, respectivement suivant les axes Ox et Oy. Dans la variante illustrée par la figure 2B, deux faisceaux 37 et 38 interagissent au niveau de la zone 4. Ces faisceaux ne se propagent pas dans des sens opposés suivant le même axe, leurs directions respectives présentant un angle non nul l'une 25 par rapport à l'autre. Leurs directions de propagation ne sont pas perpendiculaires à la direction de propagation (Oz) des électrons, .mais présentent le même angle par rapport à (Oz). De multiples combinaisons des variantes ci-dessus, issues des figures précédentes, 30 sont possibles. L'homme du métier comprendra à travers ces différentes variantes que la présente invention peut être mise en oeuvre à partir d'un nombre de faisceaux laser supérieur à deux et se propageant dans des directions non parallèles à la 15/05 2009 VEN 15:41 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 10 direction (Oz) de propagation des électrons. Dans la variante illustrée par la figure 3, le faisceau laser est tout d'abord sujet à une mise en forme spectrale par un dispositif A, situé à tout endroit adapté dans la chaine 5 laser ; puis à un dispositif B de dispersion spectrale angulaire, afin de créer une onde dite � inhomogône � ; puis est découpé en deux faisceaux identiques par une lame séparatrice LS. Chacun des deux faisceaux traverse alors un dispositif C, C' d'imagerie dans le plan de la figure, de mise en forme spatiale D, D', puis de focalisation E,E' dans le plan perpendiculaire à la figure. L'un des faisceaux fait 10 l'objet d'un retard temporel contrôlé par un dispositif F. Les deux faisceaux laser se superposent dans la zone d'interaction I, dans laquelle ils interagissent conjointement avec un paquet d'électrons issu d'un dispositif accélérateur G, lui-même déclenché par un dispositif H de synchronisation avec le laser. 15 Le procédé de génération d'un faisceau laser à électrons libres selon l'invention consiste donc en : une étape de génération d'un paquet 20 d'électron relativistes 21 apte à se propager suivant la direction de propagation Oz, une étape de superposition, au niveau d'une zone d'interaction 4 traversée par 20 la direction de propagation Oz du paquet 20, d'au moins deux faisceaux laser 31 et 32 se propageant dans des directions différentes les unes des autres et différentes de la direction de propagation Oz du paquet 20, de façon à générer un faisceau onduleur 30 apte à interagir avec le paquet 20 d'électrons relativistes 21 ; 25 - une étape de . piégeage des électrons relativistes dans les franges d'interférence du faisceau onduleur 30 par injection à l'entrée de la zone d'interaction 4, et une étape d'amplification dans l'onduleur 30 du faisceau 5 résultant de la diffusion des lasers 31 -32 sur les électrons relativistes. 30 Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme 15/05 2009 VEN 15:42 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 5 &U 11 du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. 15/05 2009 VEN 15742 FAX 0149646120 NOVAGRAAF REVENDICATIONS1. ù Système laser (1) à électron libres, comprenant un moyen (2) de génération d'un paquet (20) d'électrons relativistes (21) apte à se propager suivant une direction de propagation (Oz) et un moyen (3,3") de génération d'un faisceau onduleur (30) apte à interagir avec le paquet (20) d'électrons relativistes (21), caractérisé en ce que le faisceau onduleur (30) est issu de l'interférence , au niveau d'une zone d'interaction (4) traversée par la direction de propagation (Oz) dudit paquet (20), d'au moins deux faisceaux laser (31,32) se propageant dans des directions différentes les unes des autres et différentes de la direction de propagation (Oz) dudit paquet (20). 2. ù Système laser (1) selon la revendication 1, dans lequel le faisceau onduleur (30) est issu de la superposition de deux faisceaux laser (31,32). 3. ù Système laser (1) selon la revendication 2, dans lequel les deux faisceaux laser (31,32) se propagent dans des directions opposées. 4. ù Système laser (1) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les deux faisceaux laser (31,32) se propagent dans des directions perpendiculaires à la 20 direction de propagation (Oz) du paquet (20). 5. ù Système laser (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen (2) de génération du paquet (20) et le moyen (3',3") de génération du faisceau onduleur (30) sont synchronisés. 6. ù Système laser (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen (3',3") de génération du faisceau onduleur (30) comprend une source laser dont le faisceau d'origine est découpé de manière à former les au moins deux faisceaux laser (31,32). 7. ù Système laser (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les longueurs d'onde des au moins deux faisceaux laser (31,32) se situent dans le 25 30 15/05 2009 VEN 15:42 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 56 ?� 13 domaine proche infrarouge (800 nm à 1,05 �m). 8. ù Système laser (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les longueurs d'onde des au moins deux faisceaux laser (31,32) se situent dans le 5 domaine moyen infrarouge (1,1 pm à 10 !um). 9. ù Système laser (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le moyen (2) de génération du paquet (20) d'électrons relativistes (21) comporte un LINAC RF. 10. ù Système laser (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le moyen (2) de génération du paquet (20) d'électrons relativistes (21) comporte un accélérateur laser par sillage plasma. 15 11. ù Système laser (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le moyen (2) de génération du paquet (20) d'électrons relativistes (21) comporte un anneau de stockage d'électrons. 12. ù Système laser (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les au moins deux faisceaux laser (31,32) se propagent selon une géométrie d'onde inhomogène correspondant à une mise en forme spatiale et temporelle telle que le lieu du maximum d'énergie de chaque faisceau laser (31,32) présente un décalage angulaire par rapport aux fronts de phase dans la zone d'interaction.(4). 13. ùSystème laser (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un troisième faisceau assure le piégeage des électrons relativistes dans le plan transverse à l'axe (Oz) et tout au long de la zone d'interaction (4). 14. ùSystème laser (1) selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel au moins un dispositif de mise en forme spatiale des faisceaux laser assure le piégeage des électrons relativistes dans le plan transverse à l'axe (Oz) et tout au long de la zone d'interaction (4). 2 revendications à prévoir. 10 15/05 2009 VEN 15:42 FAX 0149646120 NOVAGRAAF 14 15. ù Système laser (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel [es faisceaux laser (31,32) sont confinés à l'intérieur d'une cavité résonante optique. 5 16. ù Système laser (1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de contrôle des fronts de phase. 17. ù Système laser (1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de contrôle de phase spectrale. 10 18. ù Procédé de génération d'un faisceau laser (5) à électrons libres, comprenant une étape de génération d'un paquet (20) d'électron relativistes apte à se propager suivant une direction de propagation (Oz) et une étape de génération d'un faisceau onduleur (30) apte à interagir avec le paquet (20) d'électrons 15 relativistes (21), caractérisé en ce qu'il comprend, de manière à générer le faisceau onduleur (30), une étape préalable d'interférence, au niveau d'une zone d'interaction (4) traversée par la direction de propagation (Oz) dudit paquet (20), d'au moins deux faisceaux laser (31,32) se propageant dans des directions différentes les unes des autres et différentes de la direction de propagation (Oz) dudit paquet (20), une étape 20 de piégeage des électrons relativistes dans les franges d'interférence du faisceau onduleur (30) par injection à l'entrée de la zone d'interaction (4), et une étape d'amplification dans l'onduleur (30) d'un faisceau (5) résultant de la diffusion des lasers (31,32) sur les électrons relativistes, 25