Vers un Laser Ultra-Compact à Electrons Libres dans le domaine X – Lucel-X

Nous proposons l'étude d'un nouveau concept de laser à électrons libres dans le domaine des rayons X. En associant la physique des lasers à électrons libres en régime Compton, des lasers à rayons X mous (XUV) conventionnels basés sur l'interaction laser/plasma, et de l'optique non-linéaire , nous avons prédit la possibilité de déclencher un effet Raman stimulé lors de l'interaction entre un paquet d'électrons libres modérément relativistes, et deux impulsions lasers intenses ultra-rapides, interférant transversalement pour former un réseau optique à haute intensité, par l'effet Kapitza-Dirac.
Des études analytiques et numériques ont démontré la possibilité d’atteindre des valeurs de gain très élevées, avec des longueurs de gain dans la gamme sub-millimétrique, et des nombres de photons élevés (~10^8 à 10^9).
Ses spécificités, en particulier la robustesse attendue vis-à-vis de la dispersion en énergie des électrons, suggèrent que ce processus est idéalement adapté à un couplage avec l’accélération d’électrons par sillage laser.
Ce nouveau schéma est donc très prometteur, car il pourrait fournir des faisceaux de qualité laser dans le domaine X, ce qui n'était concevable jusqu'à présent que grâce à de grandes infrastructures de XFEL, mais avec un dispositif très compact.
Des impulsions X d'une durée de l’ordre d’une femtoseconde semblent tout à fait possibles, avec des applications passionnantes en cristallographie de protéines. Nous prédisons également la possibilité de créer des faisceaux cohérents d' X-durs (au delà de 40 keV), voire même des faisceaux laser de rayons gamma, dans le cadre des futures infrastructures de lumière extrême.

Des performances aussi marquantes ne pourront cependant être réalisées sans efforts importants. Il est indispensable de définir des étapes préalables, aussi bien pour résoudre des points clés techniques, que pour explorer et apprendre à contrôler la physique à la base de ce processus. La prédiction des caractéristiques finales de la source devra aussi être affinée.

Dans cet objectif, nos travaux ont déjà permis un certain nombre d’avancées importantes sur le plan théorique. Nous avons rédigé un nouvel outil numérique dédié, le code particulaire EWOK. Ce code nous a permis de démontrer numériquement l’existence d’une forte amplification des rayons X par des électrons relativistes au sein d’un réseau optique [PRL 109, 244802]. Cet outil numérique sera également à la base des travaux suivants portant sur les caractéristiques essentielles des faisceaux X : divergence, durée d’impulsion, largeur spectrale, nombre de photons… fournissant ainsi une estimation du flux et de la brillance de la source. EWOK permettra enfin tous les travaux de conception puis d’interprétation des expériences.
Sur le plan expérimental, des verrous scientifiques et techniques ont été identifiés, visant à contrôler la dynamique des électrons relativistes dans le réseau optique intense. Le premier point clé concerne l’irradiation synchrone transverse formant ce réseau optique, ce qui nécessite de concevoir, mettre en œuvre puis caractériser des dispositifs optiques originaux. Le second point clé concerne l’optimisation spécifique des paquets d’électrons issus de l’accélération par sillage, dans la perspective du processus de laser X Raman.

Sur le socle permis par ces développements expérimentaux et les modélisations numériques, nous nous intéresserons alors à deux nouveaux processus prédits dans l’interaction entre un réseau optique intense, et des électrons rapides : l’effet Kapitza-Dirac relativiste, l’émission de rayonnements bêtatron à la fréquence de résonance du réseau optique. Ces étapes permettront de valider la physique et les techniques expérimentales, et ainsi d’avancer vers une future démonstration d’un Laser à Electrons Libres Raman, ce qui ouvrirait un grand nombre d’applications marquantes de cette source X compacte, cohérente et ultra-brève, depuis la physique, la biochimie jusqu’à la médecine.