Laser à rayons X

Un laser à rayons X, ou laser X-UV (soft x-ray laser en anglais, Roentgen laser en allemand) est un dispositif qui transpose le principe et les propriétés du laser aux ondes électromagnétiques de courte longueur d'onde : de l'ultraviolet extrême aux rayons X. On distingue deux types de lasers à rayons X : les lasers X à électrons libres (XFEL ou x-ray free-electron laser) et les lasers X à plasma (Plasma-based soft x-ray laser).

Deux grandes difficultés apparaissent lorsque l'on cherche à réaliser un laser à rayons X :

• Il faut disposer d'un milieu à gain capable d'amplifier un rayonnement composé de photons X^[Quoi ?] très énergétiques (plusieurs dizaines voire centaines d'électron-volts).
• Il faut se passer de cavité optique résonnante. La durée de vie du milieu à gain est en effet de trop courte durée pour permettre au rayonnement laser X d'effectuer un nombre important d'allers-retours. Par ailleurs, les optiques fonctionnant dans ce domaine de longueur d'onde (optique en incidence rasante, miroirs multicouches) sont d'un emploi délicat.

Pour résoudre la première difficulté, on utilise des milieux à gain possédant de très grandes densités d'énergie :

• Un faisceau d'électrons relativistes produit par un accélérateur de particules. Ce faisceau est injecté dans un ondulateur, une structure où règne un champ magnétique spatialement périodique. Les électrons "ondulent" dans ce dispositif en émettant du rayonnement X similaire au rayonnement synchrotron.
• Un gaz chaud fortement ionisé ou plasma. Ce milieu contient de grandes densités d'ions multichargés entre les niveaux desquels on réalise une inversion de population. Il peut être obtenu par des décharges électriques intenses (Intensité > 10 kA) dans un gaz. Le plus souvent cependant le plasma qui joue le rôle de milieu à gain est généré en focalisant un laser intense sur une cible solide ou gazeuse.

L'absence de cavité est contournée en faisant fonctionner ces lasers en régime d'amplification de l'émission spontanée (SASE Self-amplified spontaneous Emission) ou en régime injecté.

• Amplification de l'émission spontanée. Les émissions spontanées, aléatoires, émises au début du milieu à gain sont amplifiées en un seul passage dans ce dernier. Pour obtenir un rayonnement X intense, on utilise des milieux à gain très longs (XFEL) où possédant un gain très élevé (lasers à plasma). Le rayonnement émis dans ce régime SASE est toutefois spatialement incohérent. La grande longueur du milieu à gain permet toutefois de filtrer spatialement le rayonnement pour obtenir des faisceaux cohérents et peu divergents comme dans un laser classique.
• Fonctionnement en mode injecté. Un rayonnement X spatialement cohérent mais de faible intensité est injecté à l'entrée du milieu à gain afin d'être amplifié. Cette "graine" de rayonnement cohérent doit toutefois avoir une intensité supérieure à l'émission spontanée. Ce rayonnement X "parfait" initial peut être, par exemple, une harmonique d'ordre élevé d'un laser "classique" intense.

Le principe de fonctionnement d'un laser à électrons libres, schématisé sur la Figure 1, peut être décomposé en quatre étapes :

0. Accélération jusqu'à des vitesses ultra-relativistes d'un paquet d'électrons dans un accélérateur linéaire^[1]
1. Rayonnement synchrotron émis dans l'ondulateur
2. Amplification de l'émission spontanée le long de l'ondulateur
3. Saturation de l'amplification à la sortie de l'ondulateur

De grands projets de lasers à électrons libres sont entrés en service :

• FLASH^[2] à DESY, Hambourg, en service depuis 2000,
• le LCLS^[3] au SLAC, Menlo Park, en fonctionnement depuis 2009,
• SACLA au Japon, en fonctionnement depuis 2011,
• European XFEL à DESY, en fonctionnement depuis 2017,

ou sont en cours^[Quand ?] de développement (Arc-en-Ciel en France).

Grâce à leurs courtes durées d'impulsions (femtoseconde) et leur courte longueur d'onde, les lasers X à électrons libres permettraient de « filmer » le comportement de molécules uniques lors de réactions physico-chimiques ou biologiques.

La plateforme européenne XFEL inaugurée en Allemagne en 2017 détient le record de performance de 27000 flashs par seconde jusqu'en septembre 2023. Depuis cette date, c'est le laser LCLS-II du SLAC qui le détient avec près d'un million de flashs par seconde^[4].

La totalité^[Quand ?] des lasers X à plasma opérationnels reposent sur le schéma de pompage collisionnel^[Quoi ?] :

• Laser X Quasi-stationnaire^[Quoi ?]
• Laser X transitoire^[Quoi ?]
• Laser X OFI^[Quoi ?]

Plusieurs installations lasers X à plasma fonctionnent actuellement^[Quand ?] dans le monde : le PALS à Prague, le laser COMET au LLNL aux États-Unis, le laser APR au Japon et la plateforme LASERIX au Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie situé à Orsay (Essonne).

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