Si les scientifiques veulent repousser les limites d’un laser à rayons X, par exemple, ils devront peut-être créer une nouvelle technologie. Mais parfois, il n’est pas nécessaire de réinventer la roue. Au lieu de cela, les scientifiques proposent simplement une nouvelle façon de l’utiliser.
Maintenant, les chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie ont fait exactement cela dans le but de pousser les capacités du laser à rayons X à rayons X (XFEL) Linac Coherent Light Source (LCLS) du laboratoire. En adaptant une technique pour les impulsions laser optiques modernes et superpuissantes appelées amplification d’impulsions chirpées (CPA), l’équipe du SLAC a conçu un système capable de produire des impulsions de rayons X dix fois plus puissantes qu’auparavant, tout en restant dans le champ d’électrons libres existant du LCLS. infrastructures lasers.
L’équipe a publié ses résultats dans Lettres d’examen physique le 18 novembre.
« Les impulsions laser à rayons X actuelles des lasers à électrons libres ont une puissance de crête d’environ 100 gigawatts, et généralement avec une structure complexe et stochastique », a déclaré Haoyuan Li, chercheur postdoctoral au SLAC et à l’Université de Stanford et auteur principal de la nouvelle étude. .
Avec l’amplification d’impulsions chirpées pour les rayons X, « nous avons montré que nous pouvons obtenir des paramètres de faisceau très percutants supérieurs à 1 térawatt de puissance de crête et une durée d’impulsion d’environ 1 femtoseconde en même temps ».
Même le meilleur laser a ses limites
LCLS fonctionne comme une caméra à résolution atomique, prenant des instantanés des changements les plus infimes dans les molécules et les matériaux en une infime fraction de seconde. Les impulsions de rayons X ultrabrillantes et ultrarapides qu’il produit sont d’un grand intérêt pour de nombreuses applications et recherches scientifiques dans des domaines aussi divers que la dynamique des molécules biologiques, l’étude de l’astrophysique en laboratoire et l’observation de l’interaction des photons avec la matière.
Cependant, l’augmentation de la puissance du laser peut rendre la synchronisation des impulsions laser incohérente. Cette incohérence crée à son tour une image déformée ou inexacte de ce qui se passe avec le système, ce que les scientifiques veulent désespérément contourner. Les solutions existantes à ce problème réduisent considérablement la puissance du laser, limitant ce que les chercheurs peuvent faire.
En raison de ces restrictions, « au cours de la dernière décennie d’expériences laser XFEL, plus de 90% des expériences ont utilisé la source de rayons X comme une lampe de poche ultra-rapide », a déclaré Diling Zhu, scientifique principal au SLAC et co-auteur principal de l’étude. « Très peu l’ont vraiment utilisé comme ‘laser’ dans le sens où nous utilisons les lasers optiques. Nous commençons tout juste à apprendre à manipuler le faisceau de rayons X comme nous le faisons depuis des décennies avec les lasers optiques. »
Rayons X stridents
Le CPA a été conçu à l’origine pour augmenter la puissance des lasers optiques, et il fonctionne en étirant la durée d’une impulsion d’énergie avant qu’elle ne passe à travers un amplificateur et enfin un compresseur qui inverse l’étirement effectué lors de la première étape. Le résultat est une impulsion super intense, propre et ultra-courte.
Les physiciens Donna Strickland et Gérard Mourou de l’Université de Rochester ont inventé la CPA dans les années 1980 et ont reçu le prix Nobel de physique 2018 pour leurs travaux. Alors que le CPA a révolutionné la génération d’impulsions à haute énergie pour les lasers optiques, la technique s’est avérée difficile à adapter aux longueurs d’onde des rayons X, a déclaré Li.
En concevant et en mettant en œuvre des systèmes d’optique cristalline pour les longueurs d’onde Angstrom, Li et ses collègues ont appris comment les rayons X étaient réfléchis et dispersés à partir d’un cristal dans un processus appelé réflexion de Bragg asymétrique.
« Nous avons alors réalisé que les réflexions asymétriques de Bragg pouvaient être utilisées pour mettre en œuvre le mécanisme CPA », a déclaré Li. « Ensuite, notre équipe d’optique à rayons X et notre équipe de physique des accélérateurs ont travaillé ensemble pour optimiser la conception basée sur des simulations avec des paramètres de faisceau réalistes. »
Des impulsions de rayons X à portée de main
Grâce à une modélisation numérique détaillée, les chercheurs ont conçu une méthode CPA pour générer des impulsions de rayons X durs de haute intensité dans les paramètres de faisceau des lasers à électrons libres existants. D’autres conceptions d’impulsions de rayons X durs aussi puissantes reposent sur des paramètres trop optimistes qui sont hors de portée avec la technologie actuelle.
« Notre nouveau système montre que nous pouvons produire des impulsions de rayons X durs térawatt, femtoseconde avec les installations laser à électrons libres existantes », y compris LCLS au SLAC, a déclaré Li.
La prochaine étape consiste à construire le système, ce qui représentera un effort d’ingénierie important. « Nous aimerions démontrer expérimentalement que nous pouvons construire la civière et le compresseur requis qui répondent aux spécifications de conception du système, en commençant par un prototype miniature », a déclaré Li.
L’équipe espère poursuivre ses efforts, a déclaré Zhu. « Adapter les leçons de nombreuses technologies laser optiques élégantes et passionnantes aux longueurs d’onde des rayons X pourrait nous conduire à des sources laser à rayons X plus lumineuses à l’avenir », a-t-il déclaré.
Plus d’information:
Haoyuan Li et al, génération d’impulsions de rayons X durs femtoseconde-térawatt avec amplification d’impulsions chirpées sur un laser à électrons libres, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.213901