Laser-driven soft X-ray lasers
Au fil des ans, l’équipe UPX a acquis une solide expérience en développant et en travaillant avec des sources ultraviolettes cohérentes. Parmi ceux-ci, les lasers à rayons X doux à commande laser sont capables de produire des impulsions courtes avec une qualité de faisceau exceptionnelle à l’échelle du laboratoire.
Comment cela fonctionne: Le cœur d’une source laser à rayons X mous pilotée par laser est un plasma à population inversée pompé par des collisions. La source développée à LOA est basée sur l’ionisation contrôlée par champ optique d’un gaz neutre (krypton) jusqu’au stade ionique requis (krypton de type Ni). Les électrons chauds du plasma entrent alors en collision avec les ions, apportant suffisamment d’énergie pour pomper l’inversion de population entre des états excités spécifiques. Une forte amplification d’émission spontanée (ASE) est alors produite à 32,8 nm en un seul passage dans l’amplificateur. L’ensemencement de l’amplificateur avec un rayonnement résonant externe tel qu’une impulsion harmonique d’ordre élevé conduit à une amélioration considérable des caractéristiques spatiales du faisceau.
En 2001-2002, nous avons démontré la première amplification saturée d’un laser à rayons X doux ionisé par champ optique et cible de gaz. ( S. Sebban et al., Phys. Rev. Lett. 86, 3004-3007 (2001) , Phys. Rev. Lett. 89, 253901 (2002) )
En 2004, nous avons réalisé la première chaîne de laser à rayons X doux en semant l’amplificateur ionisé par champ optique avec une impulsion harmonique résonnante d’ordre élevé. Il a notamment permis la génération de faisceaux de haute qualité avec une polarisation linéaire. ( P. Zeitoun et al., Nature 431, 426-429 (2004) )
En 2009-2010, nous avons démontré le filtrage spatial de la graine harmonique d’ordre élevé par l’amplificateur et la production subséquente du premier laser à rayons X doux à diffraction limitée entièrement cohérente. Nous avons également démontré une cohérence temporelle totale. ( J.-P. Goddet et al., Opt. Lett.34, 2438-2440 (2009) , O. Guilbaud et al., Opt. Lett. 35, 1326-1328 (2010) )
En 2015, nous avons réalisé la première amplification d’un faisceau d’amorçage harmonique à polarisation circulaire et démontré expérimentalement qu’une forte augmentation de la densité de l’amplificateur à plasma conduisait à la génération d’impulsions de rayons X douces sous-picoseconde. (A. Depresseux et al., Phys.Rev Lett 115, 083901 (2015) , Nature Photonics 9, 817-821 (2015) )
Progrès récents:
2018: Guidage efficace des impulsions laser ultra-intenses dans les plasmas haute densité
Nous avons implémenté avec succès un guide d’ondes en focalisant avec une lentille axicon une séquence d’impulsions «allumeur» (130 mJ, 30 fs) et «chauffage» (690 mJ, 600 ps) retardées de 600 ps. Lors de l’injection d’une impulsion laser 5 × 10 18 W.cm -2 dans le guide d’ondes, la densité électronique augmente jusqu’à plus de 10 20 cm -3 . Le faisceau transmis est multimode et contient environ 50% de l’énergie initiale après 5 mm de propagation et diminue jusqu’à 20% après 20 mm lorsque le krypton est utilisé. Parallèlement aux mesures expérimentales, des calculs numériques intensifs utilisant des codes hydrodynamiques et particules dans la cellule ont été effectués pour comprendre et prédire la création et l’évolution postérieure du guide d’ondes ( E. Oliva et al., Phys Rev.E 97, 023203 ( 2018), E. Oliva et coll., Phys. Rev. A 92, 023848 (2015) ).
2020: Laser EUV bicolore dans un plasma krypton haute densité de type Ni
La capacité à faire fonctionner des sources cohérentes X ou à rayons X mous dans une configuration bicolore joue un rôle clé dans le développement ultérieur des techniques de pompe-sonde. Nous avons développé une source laser à rayons X doux à deux couleurs de table utilisant un plasma laser d’ions de type nickel. Nous avons montré que grâce à la densité d’électrons élevée dans le plasma, outre la transition laser habituelle de 32,8 nm dans le krypton de type nickel, l’émission stimulée peut être déclenchée simultanément sur une transition radiative voisine à 62,7 nm, produisant un fort signal ASE à double longueur d’onde. Nous avons découvert que la dynamique de gain des deux transitions est comparable. L’amplificateur a été amorcé par une impulsion harmonique d’ordre élevé à double résonance, produisant un faisceau laser bicolore de courte durée et cohérent.F. Tissandier et coll., Phys. Rev. Lett. 124 et 133902 (2020)
2020: Reconstruction ptychographique de l’onde de sortie de l’amplificateur plasma
Ce travail résulte d’une collaboration avec l’équipe de M. Zürch à l’Institut d’Optique et d’Electronique Quantique de l’Université de Jena. En utilisant une approche ptychographique, nous avons pu reconstruire le front d’onde complexe de l’onde laser EUV ensemencée. Le faisceau EUV a été focalisé sur un échantillon constitué d’un motif de trous régulier. La lumière diffractée de manière cohérente est enregistrée dans une géométrie de transmission et l’échantillon est balayé en utilisant une méthode ptychographique. Cela permet de récupérer le champ complexe dans le plan d’échantillonnage, qui a été rétropropagé vers le plan de sortie de l’amplificateur. Le champ rétropropagé présente un profil de phase parabolique et un profil d’amplitude à deux pics qui sont liés à la distribution de gain non homogène dans l’amplificateur. Cela montre un excellent accord avec des calculs 3D Maxwell-Bloch étendus.