Laser à rayons X
Un laser à rayon X, ou laser X-UV est un système qui transpose le principe et les propriétés du laser aux ondes électromagnétiques de courte longueur d'onde : de l'ultraviolet extrême aux rayons X.
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Un laser à rayon X, ou laser X-UV (soft x-ray laser en anglais, Rœtgen laser en allemand) est un système qui transpose le principe et les propriétés du laser aux ondes électromagnétiques de courte longueur d'onde : de l'ultraviolet extrême aux rayons X. On peut distinguer deux types de lasers à rayons X : les lasers X à électrons libres (XFEL ou x-ray free electron laser) et les lasers X à plasma (Plasma-based soft x-ray laser).
Principes généraux
Deux grandes difficultés apparaissent quand on cherche à réaliser un laser à rayons X :
- Il faut disposer d'un milieu à gain capable d'augmenter un rayonnement composé de photons X particulièrement énergétiques (plusieurs dizaines ou alors centaines électron-volt).
- Il faut se passer de cavité optique résonnante. La durée de vie du milieu à gain est en effet de trop courte durée pour permettre au rayonnement laser X d'effectuer un nombre important d'aller-retour. D'autre part, les optiques fonctionnant dans ce domaine de longueur d'onde (optique en incidance rasante, miroirs multicouches) sont d'un emploi délicat.
Pour résoudre la première difficulté, on utilise des milieux à gain possèdant de particulièrement grandes densités d'énergie :
- Un faisceau d'électrons relativistes produit par un accélérateur de particules. Ce faisceau est injecté dans un onduleur, une structure où règne un champ magnétique spatialement périodique. Les électrons "ondulent" dans ce système en émettant du rayonnement X identique au rayonnement synchrotron.
- Un gaz chaud fortement ionisé ou plasma. Ce milieu contient de grandes densités d'ions multichargés entre les niveaux desquels on réalise une inversion de population. Il peut être obtenu par des décharges électriques intenses (I> 10kA) dans un gaz. Le plus fréquemment cependant le plasma qui jouera le rôle de milieu à gain est généré en focalisant un laser intense sur une cible solide ou gazeuse.
L'absence de cavité est contournée en faisant fonctionner ces lasers en régime d'augmentcation de l'émission spontanée (ASE Augmented spontaneous Emission) ou en régime injecté".
- Augmentcation de l'émission spontanée. Les émissions spontanées, aléatoires, émise au début du milieu à gain sont augmentées en un seul passage dans ce dernier. Pour obtenir un rayonnement X intense, on utilise des milieux à gain particulièrement longs (XFEL) où possèdant un gain particulièrement élevé (lasers à plasma). Le rayonnement émis dans ce régime ASE est cependant spatialement incoherent. La grande longueur du milieu à gain permet cependant de filtrer spatialement le rayonnement pour obtenir des faisceaux cohérents et peu divergent comme dans un laser classique.
- Fonctionnement en mode injecté. Un rayonnement X spatialement cohérent mais de faible intensité est injecté à l'entrée du milieu à gain afin d'être augmenté. Cette "graine" de rayonnement cohérent doit cependant avoir une intensité supérieure à l'émission spontanée. Ce rayonnement X "parfait" d'origine peut être, par exemple, une harmonique d'ordre élevé d'un laser "classique" intense.
Les lasers X à électrons libres
Voir aussi : x-ray free-electron laser
De grands projets de lasers X à électrons libres viennent de rentrer en service où sont en cours de développement. Voici par exemple le laser X de DESY à Hambourg ou le projet Arc-en-Ciel en France.
Grâce à leurs courtes durées d'impulsions (femtoseconde) et leur courte longueur d'onde, les lasers X à électrons libres, permettraient de «filmer» le comportement de molécules uniques lors de réactions physico-chimiques ou biologiques.
Quelques réalisations
La totalité des lasers X à plasma opérationnels reposent sur le schéma de pompage collisionnel
- Laser X Quasistationnaire
- Laser X transitoire
- Laser X OFI
Installations et applications
Plusieurs installations lasers X à plasma fonctionnent aujourd'hui dans le monde : Le PALS à Prague, le laser COMET au LLNL aux Etats-Unis, le laser APR au Japon. Il existe aussi un projet de laser à rayons X (LASERIX) développé par l'université Paris-Sud XI, au Laboratoire d'optique appliquée (LOA) en cours de développement.
Ce type de lasers est aujourd'hui utilisé pour sonder les plasmas produits par laser ou pour étudier les infimes déformations de surfaces soumises à des champs électriques intenses.
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