Fonctionnement

Principe du LEL

Généralités

Un laser est un amplificateur d’ondes électromagnétiques. Le principe du Laser à Electrons Libres (LEL) est différent de celui des lasers classiques. En effet le LEL fonctionne en utilisant un faisceau d’électrons qui ne sont donc pas liés à un atome - d’où l'adjectif “libres”. Ainsi, la lumière laser n'est pas produite par des atomes préalablement excités, mais par un “rayonnement synchrotron” produit par des électrons accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière. Ce type de rayonnement est produit lorsque ces électrons de haute énergie suivent une trajectoire incurvée. Cette trajectoire leur est imposée par un champ magnétique, qui est sinusoïdale et périodique dans le cas du LEL. Ce champ magnétique sinusoïdal est obtenu grâce à un “onduleur”, qui est constitué de deux série d’aimants permanents juxtaposés, entre lesquelles passe le faisceau d’électrons.

La figure 1 montre les deux séries d’aimants (en rouge), chacune ayant une longueur totale de 2 mètres. Entre ces deux “mâchoires” on peut voir la chambre à vide (de couleur dorée et tenue par une barre noire) au travers de laquelle passe le faisceau d’électrons. A noter que sur cette photo les 2 mâchoires de l’onduleur sont exceptionnellement très écartées, en temps normal elles sont très proches de la chambre à vide afin de maximiser le champ magnétique sur la trajectoire des électrons. Les électrons entrent en interaction avec le champ magnétique de l'onduleur et émettent spontanément des photons qui constituent le “rayonnement synchrotron”.

Un phénomène supplémentaire permet l’amplification optique de ce même rayonnement. Ceci est dû à un “couplage d’énergie” qui permet aux électrons de transférer une partie de leur énergie cinétique au rayonnement. Ce phénomène est rendu possible grâce au champs magnétique de l’onduleur, qui communique une composante de vitesse transverse aux électrons, et qui va permettre ce couplage d’énergie.

Comme dans le schéma d'un laser conventionnel, cet onduleur est placé entre deux miroirs parallèles, qui piègent le rayonnement émis et permettent une amplification à chaque aller-retour de la lumière dans cette cavité optique, afin d’atteindre le niveau d’intensité correspondant à la “saturation” caractéristique du phénomène laser.

            Fig.1 Onduleur

A noter que la structure temporelle de l’accélérateur d’électrons conditionne celle du laser LEL. Celui-ci produit donc des micro-impulsions très courtes (durée δt typique 1 à 10 picosecondes), espacées temporellement de la durée ∆t=2L/c d’un aller-retour dans la cavité optique - c’est à dire de la distance L entre ses 2 miroirs (durée ∆t typique environ 10 nanosecondes).

La lumière laser ainsi produite est très intense et a toutes les caractéristiques de la lumière “laser” en termes de cohérence longitudinale et transverse. De plus, un atout majeur de ce type de lasers : ils sont naturellement accordables sur une vaste étendue (plusieurs décades). En effet, la longueur d’onde de ce rayonnement laser ne dépend que de l’énergie γmc2 des électrons et des caractéristiques du champ magnétique de l’onduleur (intensité K du champs magnétique et longueur λo de la période sinusoïdale de ce champs).

Enfin, le principe de fonctionnement de ces lasers LEL est applicable à toutes les gammes spectrales : depuis les ondes Térahertz, jusqu’au domaine des rayons X, en passant par l’infrarouge qui est le domaine de fonctionnement de CLIO. Tout cela rend ce type de laser très polyvalent, et très utile dans les applications de recherche.

Schéma de principe

Les électrons sont produits dans un accélérateur linéaire. Après avoir été accélérés dans les cavités radio-fréquence (RF), puis focalisés dans les quadripôles, les électrons arrivent dans l’onduleur avec une énergie pouvant varier entre 10 et 45 MeV.

  Fig.2 Cavité du LEL, avec un onduleur placé entre les 2 miroirs de la cavité optique

L'onduleur est formé de deux mâchoires (fig.2), chacune constituée d'une succession d’aimants permanents qui produisent un champ magnétique sinusoïdal le long de l'axe de propagation, afin de faire osciller transversalement les électrons.

Ceci permet un couplage entre les électrons et l'onde laser dans l'onduleur, ce qui conduit à un effet de gain optique sur le laser. L'énergie laser est stockée, et puis amplifiée dans une cavité optique conventionnelle constituée de 2 miroirs. La longueur d'onde est facilement ajustable en modifiant mécaniquement l'écart entre les mâchoires, ou bien en changeant l'énergie des électrons en sortie de l'accélérateur.

Fig.3 Plan du laser à électrons libres CLIO (vue de dessus) 

Schéma de l’installation CLIO (vue de dessus)

L’accélérateur d’électrons est situé à droite du schéma - les électrons circulant ici de droite à gauche.

Il comporte une cathode (émetteur d’électrons) “thermo ionique e- gun”, suivi d’une cellule de groupement des paquets d’électrons. L’accélérateur produit en effet des micro-impulsions d’environ 1010 électrons correspondant à 1 nC et sur une durée d’environ 10 ps.

La section accélératrice permet ensuite d’atteindre des énergies “relativistes” jusqu’à E=45MeV (la vitesse des électrons est ainsi très proche de la vitesse de la lumière).

Après une première déviation angulaire de la trajectoire par un dipôle magnétique, les électrons sont “filtrés” en énergie par une fente, afin de ne garder que ceux ayant une énergie proche de l’énergie nominale E=γomc2 à 1% près (c’est quand même une majorité d’entre eux).

Une seconde déviation angulaire permet au faisceau d’électrons d’entrer dans la cavité optique du LEL, et de traverser l’onduleur.

Une troisième déviation angulaire permet d’extraire les électrons de la cavité du LEL et de les envoyer dans un “absorbeur” d’électrons (qui vont ensuite à la Terre).

La focalisation du faisceau sur l’axe est assurée par des quadrupôles magnétiques, installés le long de l’accélérateur et de la ligne de transport jusqu’à l’absorbeur.

Spécificités de CLIO

Depuis sa construction, les performances de CLIO ont sans cesse été améliorées. Ainsi, des modifications de la machine ont permis d’abaisser l’énergie de travail jusqu’à environ 12 MeV, énergie nnécessaire pour atteindre les grandes longueurs d’onde. La chambre à vide de l’onduleur a été changée pour minimiser les pertes par diffraction, et étudiée pour que l’onduleur puisse fonctionner en guide d’onde dans l’infrarouge lointain (au-delà de 50 μm). L’onduleur lui-même a également été modifié et sa période augmentée de 40 à 50 mm afin de conserver la même accordabilité à une énergie donnée. Plus généralement, des améliorations ont été apportées à la cavité optique permettant ainsi d’atteindre une gamme spectrale étendue dans l’infrarouge lointain entre 5 µm et 150 µm actuellement, contre 5 à 17µm auparavant. CLIO est l’un des 3 centres LEL dans le monde à couvrir cette gamme spectrale.

Fonctionnement de l’accélérateur d’électrons

Les accélérateurs ont été inventés pour produire des particules énergétiques permettant de sonder la structure du noyau des atomes. Depuis, ils sont utilisés pour explorer divers aspects de la physique des particules. Leur fonction est d’accélérer des faisceaux de particules au moyen de champs électriques, et de guider et focaliser ces faisceaux, au moyen de champs magnétiques. Les accélérateurs se répartissent en deux grandes catégories : les accélérateurs linéaires (en ligne droite, les faisceaux vont d’une extrêmité à l’autre) et les accélérateurs circulaires (en forme d’anneau, les faisceaux circulent en boucle). CLIO fait partie des accélérateurs linéaires.

Les principales composantes d'un accélérateur sont :

  • un klystron, qui amplifie l’onde radio-fréquence (RF) qui accélère les électrons
  • les cavités radiofréquence, qui contiennent le champ électrique de l’onde RF accélérant le faisceau de particules. Une partie de l’énergie de l’onde RF est transmise aux particules
  • la chambre à vide, tube dans lequel circule le faisceau de particules, est placée sous un vide très poussé afin d’éviter des collisions entre les molécules d’air résiduelles et les électrons du faisceau
  • les aimants, qui sont de plusieurs types et remplissent des fonctions différentes. Les aimants dipôlaires sont utilisés pour courber la trajectoire du faisceau d’électrons. Les aimants quadripôlaires sont utilisés pour focaliser le faisceau d’électrons, tout comme des lentilles (cylindriques) servent à focaliser un faisceau de lumière

Voir aussi dans «Description du LEL»

Caractéristiques Caractéristiques et vue d’ensemble