Accélération contrôlée d'électrons dans un guide d'onde plasma tout optique

Publié par Redbran le 21/06/2022 à 13:00
Source: CNRS INP
Dans la course aux faisceaux d'électrons de très haute énergie pour la physique des particules, les accélérateurs laser-plasma semblent une solution compacte prometteuse. Des physiciennes et des physiciens ont augmenté significativement l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) des électrons et amélioré la qualité des faisceaux en parvenant à contrôler l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) des électrons dans un guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...).


a) Exemple de 10 spectres d'électrons résolus angulairement obtenus lors d'une série de 14 tirs.
b) Deux exemples de spectres intégrés angulairement correspondant aux spectres marqués par des lignes bleues et vertes en (a).
Crédit: Cédric Thaury.

Les accélérateurs laser-plasma déploient des champs électriques extrêmement forts: 1000 fois supérieurs à ceux produits par les accélérateurs conventionnels. Ils utilisent des lasers impulsionnels femtosecondes très puissants qui produisent un plasma (électrons, ions) en ionisant la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) et qui génèrent les champs accélérant les électrons.

Pour obtenir un faisceau d'électrons de bonne qualité et de haute énergie, deux conditions doivent être réunies: le guidage de l'impulsion laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) afin d'accélérer les électrons sur la distance la plus grande possible, et le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de l'injection, c'est-à-dire de l'endroit où le faisceau d'électrons prend naissance, afin d'avoir un faisceau le plus monocinétique possible. Alors que ces conditions étaient obtenues de façon séparées depuis plus de 15 ans, elles n'avaient encore jamais été réalisées simultanément.

En mettant au point (Graphie) une méthode de guidage tout optique pour les faibles densités de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) adaptées à l'accélération laser-plasma (L'accélération laser-plasma est un thème de recherche visant à développer...) et en l'associant à une injection d'électrons par choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...), les chercheuses et les chercheurs du Laboratoire d'optique appliquée (LOA, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) / Ecole polytechnique / ENSTA) ont réuni les deux conditions et ont produit des faisceaux d'électrons de 1,1 GeV avec une efficacité sans précédent. Ce résultat lève un verrou essentiel qui devrait augmenter significativement les performances des accélérateurs laser-plasmas. Ces résultats sont publiés dans la revue Light Science and Applications.

Pour obtenir ces résultats, les scientifiques ont produit un guide d'onde plasma tout optique, c'est-à-dire utilisant une pré-impulsion laser de faible énergie et la focalisant dans un jet de gaz au moyen d'un nouveau type d'optique développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) pour l'expérience. Cette pré-impulsion génère un canal de plasma dont la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) décroit vers l'axe optique: l'impulsion principale est alors guidée comme dans une fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de...) à gradient d'indice. Ce guidage augmente la distance sur laquelle le laser intense accélère les électrons et l'énergie finale est ainsi multipliée par 3. Pour obtenir un faisceau dont la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un...) en énergie est faible, il est nécessaire que les électrons accélérés par l'impulsion laser proviennent d'une région bien définie du gaz. Pour assurer ce contrôle de l'injection des électrons, la densité électronique du plasma a été façonnée en produisant un choc dans le gaz, générant localement un fort gradient de densité qui particularise la région des électrons qui seront accélérés. Une bonne résolution en énergie est ainsi obtenue (figure). La prochaine étape est l'amélioration du pointé du laser dans le gaz dont la précision influe sur l'intensité du faisceau d'électrons.

Un atout majeur du guidage tout optique, dont la première démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...) a été réalisée ici pour l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) plasma, est de limiter fortement les dommages liés à la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) du laser, autorisant ainsi des énergies et des taux de répétition arbitrairement élevés. Cette approche ouvre donc à la communauté des perspectives prometteuses. Une campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) d'expériences à l'Infrastructure de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) (IR) Apollon (Apollon (en grec ancien ?π?λλων / Apóllôn, en latin Apollo) est le dieu...)dont le laser est 10 fois plus puissant aura pour objectif de tripler l'énergie du faisceau d'électrons obtenu. Une perspective ultime particulièrement intéressante est d'utiliser Apollon pour des études très fondamentales telles que celles liées à l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier...).

Référence:
Controlled acceleration of GeV electron beams in an all-optical plasma waveguide.
Kosta Oubrerie, Adrien Leblanc, Olena Kononenko, Ronan Lahaye, Igor A. Andriyash, Julien Gautier, Jean-Philippe Goddet, Lorenzo Martelli, Amar Tafzi, Kim Ta Phuoc, Slava Smartsev & Cédric Thaury, Light: Science & Applications, paru le 14 june 2022.
DOI: 10.1038/s41377-022-00862-0.
Archives ouvertes HAL et arXiv.

Contact:
- Cédric Thaury - Chargé de recherche CNRS, Laboratoire d'optique appliquée - cedric.thaury at ensta.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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