Une étape technologique a été franchie à l’Institut Fritz Haber (FHI) de la Société Max Planck à Berlin. Pour la première fois, un laser infrarouge à électrons libres (FEL) a fonctionné en mode bicolore. Cette technologie unique au monde permet des expériences avec des impulsions laser bicolores synchronisées, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités en recherche.
Les lasers à électrons libres, il en existe plus d’une douzaine dans le monde, varient considérablement en taille (de quelques mètres à plusieurs kilomètres), en longueur d’onde (des micro-ondes aux rayons X durs) et en coûts (de plusieurs millions à plus d’un million). milliard). Cependant, ils produisent tous des impulsions de rayonnement intenses et courtes. Les lasers à électrons libres sont devenus d’importantes sources de rayonnement au cours des dernières décennies, trouvant de nombreuses applications dans la recherche fondamentale et les sciences appliquées.
Des chercheurs du FHI ont développé une méthode en collaboration avec des partenaires américains qui permet de générer simultanément des impulsions infrarouges de deux couleurs différentes. Cette innovation est particulièrement importante pour l’étude des processus temporels dans les solides et les molécules.
Dans un FEL, les paquets d’électrons sont d’abord accélérés à des énergies cinétiques très élevées par un accélérateur d’électrons, atteignant presque la vitesse de la lumière. Ensuite, les électrons rapides traversent un onduleur, où ils sont forcés sur une trajectoire semblable à un slalom par de puissants champs magnétiques de polarité variable périodiquement.
Les oscillations des électrons conduisent à l’émission d’un rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde peut être modifiée en ajustant l’énergie électronique et/ou l’intensité du champ magnétique. Pour cette raison, les FEL peuvent être utilisés pour générer un rayonnement de type laser dans presque toutes les parties du spectre électromagnétique, des longs térahertz aux courtes longueurs d’onde des rayons X.
Depuis 2012, un FEL est en service au FHI, produisant un rayonnement intense et pulsé dans la gamme de l’infrarouge moyen (MIR), accordable en continu de 2,8 à 50 micromètres de longueur d’onde. Ces dernières années, des scientifiques et des ingénieurs du FHI ont travaillé sur une extension bicolore dans laquelle une deuxième branche FEL a été installée pour générer un rayonnement dans l’infrarouge lointain (FIR) à des longueurs d’onde comprises entre 5 et 170 micromètres.
La branche FIR-FEL comprend un nouvel onduleur magnétique hybride, spécialement construit au FHI. De plus, une cavité kicker de 500 MHz pour la déviation transversale des électrons a été installée derrière l’accélérateur linéaire d’électrons (LINAC). La cavité kicker peut changer la direction des paquets d’électrons à haute énergie à une vitesse d’un milliard de fois par seconde.
En juin 2023, l’équipe FHI a démontré le premier « lasing » du nouveau FIR-FEL, dirigeant tous les paquets d’électrons provenant du LINAC vers le FIR-FEL. En décembre 2023, ils ont pu démontrer pour la première fois le fonctionnement bicolore. Dans ce mode, le fort champ électrique oscillant formé dans la cavité kicker dévie un paquet d’électrons sur deux vers la gauche et un paquet sur deux vers la droite.
De cette façon, le train de paquets d’électrons à taux de répétition élevé (1 GHz ; 1 paquet par ns) provenant du LINAC est divisé en deux trains de paquets ayant chacun la moitié du taux de répétition ; l’un est dirigé vers l’ancien MIR-FEL et l’autre vers le nouveau FIR-FEL. Dans chaque FEL, la variation de l’intensité du champ magnétique de l’onduleur permet un réglage continu de la longueur d’onde jusqu’à un facteur quatre.
Depuis environ une décennie, le FHI-FEL a permis aux groupes de recherche du FHI de mener des expériences allant de la spectroscopie d’amas, de nanoparticules et de biomolécules en phase gazeuse à la spectroscopie non linéaire du solide et à la science des surfaces, ce qui a donné lieu à environ 100 études évaluées par des pairs. publications jusqu’à présent.
Le nouveau mode bicolore, qui n’est disponible dans aucune autre installation IR FEL dans le monde, permettra de nouvelles expériences telles que les expériences pompe-sonde MIR/MIR et MIR/FIR. Cela devrait ouvrir de nouvelles opportunités pour des études expérimentales dans divers domaines allant de la chimie physique, de la science des matériaux, de la recherche en catalyse aux études biomoléculaires, contribuant ainsi au développement de nouveaux matériaux et médicaments.