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

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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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Presentation Transcript
longueur de coh rence du laser lectrons 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 coh rence l c longueur au bout de laquelle la phase d une source est perdue
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

longueur de coh rence de l mission dans un onduleur
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) !

slide4

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

slide5

Le SASE est composé de “spikes” correspondant à des impulsions différentes :

Le LEL est très bruité !

Dw/w (%)

t (fs)

solutions
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)
injection par un laser ext rieur1
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

slide9

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 »)
slide10

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
slide11

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)
slide12

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

conclusion
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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