Laboratoire Francis PERRIN
URA CNRS-CEA 2453
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Harmoniques cohérentes du Laser à Electrons Libres générées à partir d'harmoniques produites dans les gaz sur le prototype de l'accélérateur SCSS Thèses ou HDR SPAM
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19/02/2008 à 10h00

Guillaume Lambert

Manuscrit de la thèse Aujourd'hui, les Lasers à Electrons Libres (LELs) permettent d'étudier la structure de la matière dans une large bande spectrale, allant du micro-onde à l'XUV, et avec une dynamique picoseconde à femtoseconde. Aux courtes longueurs d'onde, les LELs, dits en "simple passage", sont basés sur un accélérateur linéaire ou LINAC. Cependant, le rayonnement produit, l'émission spontanée auto-amplifiée (SASE), bien que hautement brillant, possède une cohérence longitudinale partielle ; les profils temporel et spectral sont composés d'une série de pics, appelés "spikes", et présentent d'importantes fluctuations statistiques. La présente thèse a été consacrée à la réalisation d'une expérience, tout à fait novatrice, qui consiste à injecter une source extérieure particulière : la génération d'harmoniques produites dans les gaz. Cette source, qui génère des photons du VUV à l'XUV, permet d'atteindre des ordres bien plus importants que ceux obtenus dans les cristaux et il est alors possible d'injecter à plus courtes longueurs d'onde. De plus, la source présente des propriétés remarquables telles qu'un haut degré de cohérence à la fois temporelle et spatiale, ainsi qu'une courte durée d'impulsion (de la picoseconde à la dizaine de femtosecondes). L'expérience a été réalisée au Japon sur le prototype de l'accélérateur SCSS (source SASE compacte de SPring-8). Cette installation est principalement constituée d'un canon à électrons à cathode thermo-ionique, d'un LINAC à température ambiante, et d'un onduleur sous vide (deux sections de 4,5 m de long), au niveau duquel la source externe harmonique est superposée transversalement, spectralement et temporellement avec le faisceau d'électrons (150 MeV, 10 Hz, 1 ps). Nous présentons ici la forte amplification cohérente de la 5ème harmonique d'un laser Ti: Sa (800 nm, 10 Hz, 100 fs) générée dans une cellule de gaz, i.e. 160 nm. Ce phénomène spectaculaire s'accompagne de la génération d'Harmoniques Non Linéaires LELs (HNL) intenses et cohérentes de 80 nm à 23 nm. Avec la seule première section d'onduleur, le rayonnement LEL à 160 nm en mode injecté atteint une intensité de plusieurs ordres de grandeur supérieure à la fois à celle du rayonnement injecté et à celle obtenue sans injection. Les distributions transverse et spectrale sont alors quasi-Gaussiennes et la longueur de saturation du LEL est deux fois plus courte, ce qui permet de réduire l’encombrement et le coût des futures installations. Finalement, à la vue du faible niveau d'injection requis, une telle amplification couplée à des schémas HNL permettrait de générer très prochainement des rayonnements X-mous totalement cohérents jusqu'à la "fenêtre de l'eau".




Coherent harmonics of a Free Electron Laser obtained by the injection of harmonics produced in gas on the SCSS prototype accelerator. Today, single-pass Free Electron Lasers (FELs) allow the structure of matter to be studied in the femtosecond domain. Yet, even if the produced radiation, the so-called Self Amplified Spontaneous Emission (SASE) is highly bright, the longitudinal coherence is partial; the spectral and temporal profiles are composed of a series of peaks, called “spikes”, and present important statistical fluctuations. We demonstrate here the strong and coherent amplification of the 5th harmonic of a Ti: Sa laser (800 nm, 10 Hz, 100 fs) generated in a gas cell, i.e. 160 nm, and seeded in a FEL. This spectacular phenomenon is associated to the generation of intense and coherent Non Linear Harmonics (NLH) at 54 nm and 32 nm. The experiment has been carried out on the SCSS (SPring-8 Compact SASE Source, Japan) Prototype Accelerator. This facility is mainly based on a thermionic cathode electron gun, a LINAC and an in-vacuum undulator (2 sections of 4.5 m length), in which the external harmonic source is overlapped transversally, spectrally and temporally with the electron beam (150 MeV, 10 Hz, 1 ps). With only one undulator section, the 160 nm seeded emission achieves three orders of magnitude higher intensity than the unseeded one, and presents a quasi perfect Gaussian shape in the spectral distribution. Moreover, the FEL saturation length is twice smaller. In view of the low seed level required, such amplification associated to NLH schemes would allow the generation of fully coherent soft X-ray radiations down to the “water window”.