Laser à rayons X

Deux grandes difficultés apparaissent lorsque l'on cherche à réaliser un laser à rayons X:

• Il faut disposer d'un milieu à gain capable d'amplifier un rayonnement composé de photons X très énergétiques (plusieurs dizaines voire centaines électron-volt).
• Il faut se passer de cavité optique résonnante. La durée de vie du milieu à gain est en effet de trop courte durée pour permettre au rayonnement laser X d'effectuer un nombre important d'allers-retours. Par ailleurs, les optiques fonctionnant dans ce domaine de longueur d'onde (optique en incidence rasante, miroirs multicouches) sont d'un emploi délicat.

Pour résoudre la première difficulté, on utilise des milieux à gain possédant de très grandes densités d'énergie :

• Un faisceau d'électrons relativistes produit par un accélérateur de particules. Ce faisceau est injecté dans un onduleur, une structure où règne un champ magnétique spatialement périodique. Les électrons "ondulent" dans ce dispositif en émettant du rayonnement X similaire au rayonnement synchrotron.
• Un gaz chaud fortement ionisé ou plasma. Ce milieu contient de grandes densités d'ions multichargés entre les niveaux desquels on réalise une inversion de population. Il peut être obtenu par des décharges électriques intenses (Intensité > 10 kA) dans un gaz. Le plus souvent cependant le plasma qui jouera le rôle de milieu à gain est généré en focalisant un laser intense sur une cible solide ou gazeuse.

L'absence de cavité est contournée en faisant fonctionner ces lasers en régime d'amplification de l'émission spontanée (ASE Amplified spontaneous Emission) ou en régime injecté.

• Amplification de l'émission spontanée. Les émissions spontanées, aléatoires, émises au début du milieu à gain sont amplifiées en un seul passage dans ce dernier. Pour obtenir un rayonnement X intense, on utilise des milieux à gain très longs (XFEL) où possédant un gain très élevé (lasers à plasma). Le rayonnement émis dans ce régime ASE est toutefois spatialement incohérent. La grande longueur du milieu à gain permet toutefois de filtrer spatialement le rayonnement pour obtenir des faisceaux cohérents et peu divergents comme dans un laser classique.
• Fonctionnement en mode injecté. Un rayonnement X spatialement cohérent mais de faible intensité est injecté à l'entrée du milieu à gain afin d'être amplifié. Cette "graine" de rayonnement cohérent doit toutefois avoir une intensité supérieure à l'émission spontanée. Ce rayonnement X "parfait" initial peut être, par exemple, une harmonique d'ordre élevé d'un laser "classique" intense.

Figure 1: Principe de fonctionnement d'un laser X à électrons libres

De grands projets de laser à électrons libres viennent d'entrer en service (FLASH[1] à DESY, Hambourg ou le LCLS[2] au SLAC, Menlo Park) ou sont en cours de développement (Arc-en-Ciel en France ou XFEL à DESY).

Grâce à leurs courtes durées d'impulsions (femtoseconde) et leur courte longueur d'onde, les lasers X à électrons libres permettraient de « filmer » le comportement de molécules uniques lors de réactions physico-chimiques ou biologiques.

Le principe de fonctionnement des lasers à électrons libres, schématisé sur la Figure 1, peut être décomposé en quatre étapes:

0. Accélération ultra-relativiste d'un paquet d'électrons
1. Rayonnement synchrotron émis dans l'onduleur
2. Amplification de l'émission spontanée le long de l'onduleur
3. Saturation de l'amplification à la sortie de l'onduleur

• Station LASERIX
• Laboratoire d'optique appliquée
• Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay
• Site du projet européen TUIXS
• « Enseignement Master 2 Interaction Laser Plasma »^{(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)} (consulté le 30 mars 2013)