Sources sur accélérateur
Article mis en ligne le 10 avril 2015
dernière modification le 28 avril 2015
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Sources sur accélérateur

Les sources de rayonnement synchrotron sont basées sur l’émission de rayonnement par des particules chargées et accélérées. En pratique, l’émission provient de paquets d’électrons relativistes, qui soit circulent dans un anneau de stockage (de plusieurs dizaines ou centaines de mètres), ou soit ont une trajectoire pseudo-rectiligne et sont utilisés comme milieu amplificateur (formant l’élément central des lasers à électrons libres). Ce rayonnement synchrotron a des charactéristiques uniques, en termes de longueurs d’onde émises (du Térahertz jusqu’au rayons X-mou) et de puissance, qui font de ces sources un outil unique pour étudier la matière et ses interactions.

Notre équipe travaille à la compréhension et au développement de ces sources, par une approche utilisant les concepts de l’optique non-linéaire et de la Dynamique Non-linéaire, et en collaboration avec plusieurs centres de rayonnement synchrotron, en particulier avec le Synchrotron SOLEIL en France et le Centre de UVSOR au Japon.

Un premier thème de recherche concerne l’étude de processus de spatio-temporels apparaissant dans les paquets d’électrons circulant dans un anneau de stockage. En particulier, nous étudions par une approche numérique et expérimentale, l’apparition spontanée de micro-structures dans ces paquets. Cette instabilité, dite instabilité micro-structure est à la fois une limitation, mais aussi une source de Térahertz potentiellement très intense, puisque la présence des micro-structures (de l’ordre du millimètre) permet l’émission d’un rayonnement THz cohérent supérieur de plusieurs ordres de grandeur par rapport au rayonnement traditionnellement émis (incohérent). Une première problématique est donc de comprendre les mécanismes engendrant cette instabilité, ce qui nécessite d’accéder à des informations expérimentales (souvent indirectes) et de développer des codes numériques permettant de tester les modèles. Une seconde problématique consiste à maitriser cette instabilité, pour que le rayonnement cohérent THz soit utilisable.

Le deuxième thème de recherche concerne le développement de lasers à électrons de dernière génération (en simple passage), permettant de produire des impulsions milliJoules jusqu’à des longueurs aussi courtes que l’ångström. Toutefois, ces sources au potentiel considérable sont encore en développement, et un premier problème concerne leur cohérence temporelle. En effet, en mode de fonctionnement classique, l’amplification de la lumière démarre sur de l’émission spontanée (qui a les propriétés spectrales d’un bruit blanc), ce qui a pour effet de dégrader considérablement la cohérence longitudinale des impulsions émises. Une approche pour obtenir des impulsions totalement cohérente est d’injecter la dynamique avec une impulsion laser externe et d’utiliser des processus de génération d’harmoniques pour atteindre des courtes longueurs d’ondes. C’est dans ce contexte qu’a été conçu le projet LUNEX5 (Laser à électrons libres Utilisant un accélérateur Nouveau pour l’Exploitation de rayonnement X de 5eme génération), projet de laser à électrons libres Français, auquel nous participons pour la conception de la partie rayonnement et pour le développement du système laser externe. Enfin, un deuxième objectif de LUNEX5 est de démontrer la faisabilité d’obtenir un rayonnement amplifié à partir d’un accélérateur plasma (Laser WakeField Accelerator), ce qui permettrait de réduire drastiquement la taille et le cout des lasers à électrons libres.

Mots Clefs :
Rayonnement Synchrotron, Instabilité Spatio-Temporelles, Anneaux de Stockage, Laser à Electrons Libres, Rayonnement Cohérent Térahertz

Publications récentes :

• Roussel, E. ; Evain, C. ; Szwaj, C. & Bielawski, S.(2014) : Microbunching instability in storage rings : Link between phase-space structure and terahertz coherent synchrotron radiation radio-frequency spectra, PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-ACCELERATORS AND BEAMS Vol. 17.

• Roussel, E. ; Evain, C. ; Le Parquier, M. ; Szwaj, C. ; Bielawski, S. ; Hosaka, M. ; Yamamoto, N. ; Takashima, Y. ; Shimada, M. ; Adachi, M. ; Zen, H. ; Kimura, S. & Katoh, M.(2014) : Transient response of relativistic electron bunches to wave-number selected perturbations near the micro-bunching instability threshold, NEW JOURNAL OF PHYSICS Vol. 16.

• Roussel, E. ; Evain, C. ; Szwaj, C. ; Bielawski, S. ; Raasch, J. ; Thoma, P. ; Scheuring, A. ; Hofherr, M. ; Ilin, K. ; Wuensch, S. ; Siegel, M. ; Hosaka, M. ; Yamamoto, N. ; Takashima, Y. ; Zen, H. ; Konomi, T. ; Adachi, M. ; Kimura, S. & Katoh, M.(2014) : Microbunching Instability in Relativistic Electron Bunches : Direct Observations of the Microstructures Using Ultrafast YBCO Detectors, PHYSICAL REVIEW LETTERS Vol. 113.

• Hosaka, M. ; Yamamoto, N. ; Takashima, Y. ; Szwaj, C. ; Le Parquier, M. ; Evain, C. ; Bielawski, S. ; Adachi, M. ; Zen, H. ; Tanikawa, T. ; Kimura, S. ; Katoh, M. ; Shimada, M. & Takahashi, T.(2013) : Saturation of the laser-induced narrowband coherent synchrotron radiation process : Experimental observation at a storage ring, PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-ACCELERATORS AND BEAMS Vol. 16.

• Barros, J. ; Evain, C. ; Manceron, L. ; Brubach, J.-B. ; Tordeux, M.-A. ; Brunelle, P. ; Nadolski, L. ; Loulergue, A. ; Couprie, M.-E. ; Bielawski, S. ; Szwaj, C. & Roy, P.(2013) : Coherent synchrotron radiation for broadband terahertz spectroscopy, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS Vol. 84.

• Thoma, P. ; Scheuring, A. ; Wuensch, S. ; Il’in, K. ; Semenov, A. ; Huebers, H.-W. ; Judin, V. ; Mueller, A.-S. ; Smale, N. ; Adachi, M. ; Tanaka, S. ; Kimura, S.-i. ; Katoh, M. ; Yamamoto, N. ; Hosaka, M. ; Roussel, E. ; Szwaj, C. ; Bielawski, S. & Siegel, M.(2013) : High-Speed Y-Ba-Cu-O Direct Detection System for Monitoring Picosecond THz Pulses, IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol. 3, 81-86.

• Katoh, M. & Bielawski, S.(2012) : TERAHERTZ PHOTONICS Coherent terahertz synthesizer, NATURE PHOTONICS Vol. 6, 76-77.

• Evain, C. ; Szwaj, C. ; Bielawski, S. ; Couprie, M. E. ; Hosaka, M. ; Mochihashi, A. & Katoh, M.(2012) : Suppression of self-pulsing instabilities in free-electron lasers using delayed optical feedback, PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-ACCELERATORS AND BEAMS Vol. 15.I

• Bruni, C. ; Legrand, T. ; Szwaj, C. & Bielawski, S.(2011) : Equivalence between free-electron-laser oscillators and actively-mode-locked lasers : Detailed studies of temporal, spatiotemporal, and spectrotemporal dynamics, PHYSICAL REVIEW A Vol. 84.

• Szwaj, C. ; Bielawski, S. ; Couprie, M. E. ; Bruni, C. ; Hosaka, M. ; Mochihashi, A. & Katoh, M.(2010) : Remaining noise-induced spatiotemporal dynamics in a free electron laser stabilized by feedback control, EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D Vol. 59, 451-455.

• Evain, C. ; Szwaj, C. ; Bielawski, S. ; Hosaka, M. ; Takashima, Y. ; Shimada, M. ; Kimura, S. ; Katoh, M. ; Mochihashi, A. ; Takahashi, T. & Hara, T.(2010) : Laser-induced narrowband coherent synchrotron radiation : Efficiency versus frequency and laser power, PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS-ACCELERATORS AND BEAMS Vol. 13.



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