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Longueur de cohérence du laser à électrons libres (LEL) X/XUV

Longueur de cohérence du laser à électrons libres (LEL) X/XUV. J.-M Ortega CLIO/ELYSE Université Paris-Sud. Longueur de cohérence (L c )= longueur au bout de laquelle la phase d’une source est perdue. Peut s’exprimer sous la forme : Dw.Dt = 2 p avec c Dt = L c

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Longueur de cohérence du laser à électrons libres (LEL) X/XUV

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Presentation Transcript

  1. Longueur de cohérence du laser à électrons libres (LEL) X/XUV J.-M Ortega CLIO/ELYSE Université Paris-Sud

  2. Longueur de cohérence (Lc)= longueur au bout de laquelle la phase d’une source est perdue • Peut s’exprimer sous la forme : Dw.Dt = 2p avec cDt = Lc valeur minimum trouvée dans la relation de Fourier E(w) ~ dtE(t)e-i wt Si cette valeur est vérifiée on a : Limpulsion = Lc

  3. Longueur de cohérence de l’émission dans un onduleur lr = lo(1 + k2/2)/2g2 La longueur de cohérence de l’émission spontanée dans l’onduleur est : Lc = Nlr où lr est la longueur d’onde de résonance Sa largeur spectrale est Dl/l = 1/N La longueur du cohérence du LEL tend à être identique Ex : LEL dans les rayons X (l = 0.1 nm), N = 1000 => Lc = 0.1 µm (t = 0.3 fs) !

  4. e- ~100 fs L’amplification a lieu en un seul passage à partir du bruit (émission spontanée) Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE) L’amplification peut démarrer à partir de n’importe quelle longueur d’onde à l’intérieur de la raie d’émission spontanée

  5. Le SASE est composé de “spikes” correspondant à des impulsions différentes : Le LEL est très bruité ! Dw/w (%) t (fs)

  6. Solutions • Cavité optique (exclu en X / XUV) • Injection : bouclage de la fréquence sur un laser extérieur (mode amplificateur) • Bouclage de la fréquence sur un harmonique d’un laser extérieur (mode « HGHG ») • Auto-injection (filtrage + amplification)

  7. Injection par un laser extérieur

  8. Injection par un laser extérieur • Le groupement des électrons en micropaquets est démarré par un laser extérieur classique de Lc ≥ longueur du paquet qui force ces paquets à rester en phase • Le LEL/SASE fonctionne alors en amplificateur de ce laser avec Lc = Le- , est stable et sature plus vite (longueur d’onduleur plus courte) • Désavantages : - Il n’existe pas de laser de l < 10 à 20 nm - Accordabilité difficile

  9. Injection sous-harmonique (« HGHG ») • Le groupement des électrons en micropaquets est démarré également par un laser extérieur de Lc > longueur du paquet qui force ces paquets à rester en phase • Le faisceau est alors envoyé dans un 2ème onduleur à une fréquence harmonique du 1er. • Le groupement harmonique reste alors bouclé en phase. Le 3ième harmonique peut être amplifié jusqu’à saturation (High Gain Harmonic Generation = « HGHG ») • On peut recommencer... (« cascaded HGHG »)

  10. e- output Laser 266 nm 800 nm Buncher HGHG SASE x105 Expérience de Brookhaven (Li Hua Yu) Modulator lo Radiator lo /3 Buncher / Shifter : améliore le groupement (« klystron optique ») et/ou retarde le paquet • Bruit SASE disparait • Saturation plus rapide • Largeur de raie étroite

  11. Paquet d’électrons “Fresh Bunch Technique” (L. H. Yu) Impulsion laser Shifter • Avantages : • Évite la dispersion en énergie induite • Permet de recommencer le processus (cascade) • Mais : requière une gigue très faible (< 10-20 fs)

  12. Cascading HGHG: A Soft X-Ray Free-Electron Laser 1-ST STAGE 2-ND STAGE 3-RD STAGE FINAL AMPLIFIER MODULATOR AMPLIFIER AMPLIFIER MODULATOR AMPLIFIER AMPLIFIER MODULATOR l l l l l l = 6.5 cm = 4.2 cm l = 2.8 cm = 11 cm = 2.8 cm = 6.5 cm w w = 4.2 cm w w w w w Length = 2 m Length = 8 m Length = 4 m Length = 2 m Length = 12 m Length = 6 m Length = 2 m Lg = 1.3 m Lg = 1.4 m Lg = 1.75 m Lg = 1.6 m Lg = 1.75 m Lg = 1.3 m Lg = 1.4 m DISPERSION DISPERSION DISPERSION y/ g y/ g y/ g d d = 1 d d = 0.5 d d = 1 e- e- DELAY “Spent” LASER DELAY “Fresh” DELAY 1.7 electrons PULSE electrons “Spent” “Fresh” electrons electrons “FRESH BUNCH” GW e- e- CONCEPT 5 00 70 800 MW 400 MW MW MW 2.128 ¸ ¸ 5 53.2 nm ¸ 5 5 10.64 nm nm 266 nm SEED e-beam 750Amp 1mm-mrad 2.6GeV  /g=2.10 – 4 total Lw =36m LASER

  13. Auto-injection (DESY)

  14. Conclusion • Le LEL doit avoir une grande longueur de cohérence pour être utilisable • Les schémas proposés demandent des réglages très fins et une synchronisation impulsion d’électrons /laser < 10 fs (3 µm), partiellement réglée en utilisant le même laser pour la photocathode et le HGHG • Projets financés : DESY, ELETTRA, SPRING8, SLAC • Faisceaux d’extrêmement haute qualité : E = 1 à 10 GeV, e 1 pmmmrad, Î ≥ 1 kAmp, sg/g < 10-3

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