Résumé :
Les équipes de recherche du Helmholtz Zentrum Rosendorf (HZDR) à Dresde, en Allemagne, et du Centre de rayonnement synchrotron SOLEIL près de Paris, en France, ont récemment annoncé avoir réalisé une avancée importante dans le développement d'une nouvelle génération de lasers compacts à électrons libres. Pour la première fois, les chercheurs sont parvenus à un fonctionnement stable et reproductible d'un laser à électrons libres à plasma dans un état de fonctionnement à gain élevé, ouvrant ainsi la voie à la construction de dispositifs laser à électrons libres plus petits et moins coûteux à l'avenir.
Les lasers à électrons libres sont un outil important pour la recherche scientifique moderne. Ils peuvent produire des impulsions lumineuses extrêmement courtes et de haute intensité et sont largement utilisés pour étudier les atomes, les molécules et les nouveaux matériaux. Cependant, la plupart des installations laser à électrons libres actuelles dans le monde sont grandes et coûteuses, ce qui laisse aux chercheurs un temps d'expérimentation très limité. Les chercheurs espèrent donc depuis longtemps développer des alternatives plus compactes et plus économiques.
Les lasers à électrons libres traditionnels nécessitent l'utilisation de grands accélérateurs d'une longueur allant jusqu'à deux kilomètres pour accélérer les électrons à une vitesse proche de celle de la lumière. Le faisceau d’électrons pénètre ensuite dans un onduleur composé d’aimants, qui libère des impulsions de lumière intense hautement cohérentes tout en oscillant continuellement.
Les nouveaux lasers à électrons libres à plasma adoptent une approche complètement différente. Les chercheurs utilisent des lasers pour générer des ondes spéciales dans le plasma, permettant aux électrons de « surfer » sur les ondes du plasma rapidement, comme en surfant. Grâce à ce mécanisme, le niveau d'énergie qui nécessitait à l'origine des centaines, voire des milliers de mètres de distance d'accélération, peut désormais être atteint en quelques millimètres seulement, et la distance d'accélération globale est raccourcie d'environ mille fois.
Malgré ses avantages non négligeables, cette technologie a longtemps souffert d'un manque de stabilité. Pour les expériences scientifiques, la production laser doit être d’une qualité constante pendant des heures, voire des jours, une norme que les lasers à électrons libres à plasma laser ont eu du mal à respecter dans le passé.
La clé de cette avancée réside dans le fait que l'équipe de recherche a réussi à contrôler avec précision le processus d'interaction entre le laser et le plasma. Les scientifiques utilisent le système laser DRACO haute performance de HZDR pour émettre des impulsions laser infrarouges dans un flux de gaz de seulement quelques millimètres d'épaisseur, générer un environnement plasma stable et ajuster avec précision les paramètres du laser pour qu'ils correspondent de manière optimale aux conditions du plasma.
Une fois l'accélération terminée, le faisceau d'électrons est envoyé au système onduleur. Les chercheurs ont en outre introduit le mécanisme d’interaction entre les impulsions laser et les faisceaux d’électrons pour améliorer l’intensité du rayonnement laser à électrons libres et obtenir une production d’énergie plus élevée.
Les résultats expérimentaux ont montré que l'équipe a réussi à générer des impulsions de lumière ultraviolette à haute énergie d'une longueur d'onde de 272 nanomètres. Plus important encore, la puissance du laser a montré pour la première fois les caractéristiques uniques de croissance exponentielle de l’état à gain élevé, prouvant que le système est entré dans un mode de fonctionnement à forte amplification. Cet état est considéré comme un signe important du fonctionnement performant des lasers à électrons libres.
Les chercheurs ont déclaré que par rapport aux résultats publiés par l'équipe en 2023, cette expérience a permis d'obtenir des améliorations significatives. Les lasers à électrons libres à plasma laser, qui étaient difficiles à assurer un fonctionnement stable et répété dans le passé, sont désormais capables de produire un rayonnement de haute qualité de manière continue et stable, créant ainsi des possibilités d'applications pratiques en matière de recherche scientifique.
La communauté scientifique estime généralement que cette réalisation devrait promouvoir la miniaturisation et la vulgarisation de la technologie des lasers à électrons libres. À l'avenir, les équipements pertinents n'auront plus besoin d'être construits dans de grands laboratoires nationaux, mais auront la possibilité d'être réduits à un niveau abordable pour les universités ou les instituts de recherche de taille moyenne, fournissant ainsi des sources lumineuses avancées à un plus grand nombre d'équipes de recherche scientifique.
Les chercheurs ont souligné que le système actuel produit toujours des sources de lumière à bande ultraviolette, mais que grâce à de nouvelles mises à niveau et optimisations à l'avenir, il devrait raccourcir la longueur d'onde à moins de 100 nanomètres. D’ici là, ce type de laser à électrons libres compact montrera une plus grande valeur d’application dans des domaines tels que la science des matériaux, l’observation des réactions chimiques, la recherche biomédicale et la nanotechnologie.
Ce résultat a été publié dans la revue "Physical Review Letters" et est considéré comme une étape importante dans le développement de la miniaturisation des lasers à électrons libres. Il constitue également une base réaliste pour la construction future d’installations de sources lumineuses avancées, plus économiques et plus faciles à déployer.
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