TAU Systems démontre une opération de laser à électrons libres stable pendant plus de huit heures

Une étude récemment publiée dans Physical Review Accelerators and Beams détaille un jalon important dans la physique des accélérateurs : TAU Systems, en collaboration avec des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, a réalisé la première opération fiable et de longue durée d’un accélérateur de plasma-laser (LPA) alimentant un laser à électrons libres (FEL). Le système a maintenu des performances continues pendant plus de huit heures sans intervention de l’opérateur, surmontant l’un des obstacles les plus persistants dans le domaine et rapprochant les sources de lumière compactes de leur déploiement pratique.

Réinventer le laser à électrons libres

Les lasers à électrons libres sont des outils essentiels pour sonder la matière à l’échelle atomique et moléculaire, produisant une lumière extrêmement brillante et adaptable sur un large spectre. Cependant, les systèmes conventionnels dépendent d’accélérateurs à fréquence radio qui nécessitent une infrastructure immense, souvent s’étendant sur tout un campus de recherche.

Les LPA offrent une architecture fondamentalement différente. En utilisant des impulsions laser ultra-intenses pour entraîner des ondes de plasma, les électrons peuvent être accélérés sur des distances mesurées en millimètres plutôt qu’en centaines de mètres. Cela crée la possibilité de réduire considérablement l’empreinte des systèmes FEL tout en maintenant des performances élevées.

Malgré cette promesse, la traduction des LPA en actionneurs FEL utilisables est restée évasive en raison de l’instabilité de la qualité du faisceau, de la variation d’un tir à l’autre et de la sensibilité aux fluctuations des conditions laser et plasma.

Intégrer la stabilité dans un système complexe

La percée a été réalisée au centre BELLA, où TAU Systems et les chercheurs de Berkeley Lab ont intégré plusieurs couches de stabilisation sur l’ensemble du système.

L’expérience a produit des faisceaux d’électrons de 100 MeV à une fréquence de répétition constante de 1 Hz, maintenant des paramètres de faisceau cohérents sur une période continue de dix heures. Ces faisceaux d’électrons ont ensuite été utilisés pour alimenter un laser FEL à émission spontanée auto-amplifiée (SASE) fonctionnant à une longueur d’onde de 420 nm, dans la gamme visible bleue à ultraviolette.

De manière cruciale, la sortie du FEL est restée stable pendant plus de huit heures sans aucun réglage manuel ou intervention. Ce niveau d’opération autonome démontre que le système peut maintenir l’alignement entre le laser, le plasma, le faisceau d’électrons et l’ondulateur sur des périodes prolongées, ce qui a historiquement été extrêmement difficile à atteindre.

La stabilité n’était pas le résultat d’une seule amélioration, mais plutôt d’un ensemble coordonné de solutions d’ingénierie, notamment le contrôle précis des caractéristiques des impulsions laser, la régulation de la densité du plasma et l’optimisation du transport du faisceau. Ensemble, ces éléments ont permis au système de fonctionner comme une source de lumière intégrée et cohérente.

Comprendre le couplage laser-plasma-FEL

L’un des résultats les plus précieux de l’expérience n’était pas seulement l’opération prolongée, mais le volume et la qualité des données collectées pendant la course.

Pour la première fois, les chercheurs ont pu cartographier systématiquement la façon dont les fluctuations dans le laser et les conditions plasma se propagent dans l’accélérateur et affectent la sortie du FEL. En analysant les corrélations entre les paramètres d’entrée et les caractéristiques de faisceau résultantes, l’équipe a identifié les variables ayant le plus d’impact sur la stabilité et la luminosité.

Ce type de jeu de données est particulièrement important car les FEL alimentés par LPA impliquent des processus non linéaires étroitement couplés. De petites variations dans une partie du système peuvent avoir des effets amplifiés en aval. Disposer de données continues et de haute qualité sur plusieurs heures permet aux chercheurs d’isoler ces relations et d’affiner les stratégies de contrôle.

Les résultats suggèrent que des améliorations supplémentaires sont réalisables, les corrélations résiduelles indiquant que des gains supplémentaires en qualité de faisceau et en stabilité de sortie restent à portée de main.

Franchir le seuil de l’expérience à la plateforme

Historiquement, les FEL alimentés par LPA ont été limités à des démonstrations de courte durée, souvent nécessitant des ajustements manuels constants et produisant des sorties incohérentes. Cela a empêché leur utilisation dans les flux de travail scientifiques réels, où la fiabilité et la reproductibilité sont essentielles.

En démontrant une opération sans intervention pendant plusieurs heures, TAU Systems et Berkeley Lab ont effectivement transformé la technologie d’une expérience fragile en une plateforme fonctionnelle. Cela ouvre la voie à des expériences plus longues, à des mesures reproductibles et à des cas d’utilisation plus avancés.

Le système est maintenant positionné comme une plateforme de recherche pour la communauté scientifique plus large, permettant des études détaillées du couplage accélérateur-source de lumière qui étaient précédemment impossibles en raison de l’instabilité et de la durée de fonctionnement limitée.

Élargir l’accès à la lumière à haute luminosité

Les implications plus larges de cette réalisation sont considérables. L’accès aux sources de lumière à haute luminosité X et ultraviolette est actuellement limité à un petit nombre de grandes installations à l’échelle mondiale.

Les FEL compacts alimentés par LPA pourraient considérablement élargir l’accès à ces capacités, permettant aux institutions sans infrastructure à l’échelle nationale de réaliser des analyses et des imageries avancées. Cela pourrait accélérer les progrès en biologie structurale, en développement de semi-conducteurs, en science des matériaux et en imagerie médicale.

Vers des accélérateurs compacts viables commercialement

TAU Systems décrit le système actuel à la fois comme un jalon scientifique et comme une pierre d’achoppement vers la commercialisation. En prouvant que les FEL alimentés par LPA peuvent fonctionner de manière fiable sur des périodes prolongées, l’entreprise a abordé l’un des derniers obstacles techniques au déploiement réel.

À mesure que la technologie continue de mûrir, les accélérateurs compacts pourraient passer d’environnements de recherche spécialisés à une utilisation industrielle et clinique plus large. Ce déplacement a le potentiel de décentraliser l’accès aux sources de lumière avancées et de changer fondamentalement la façon dont l’imagerie et l’analyse à haute résolution sont réalisées dans plusieurs industries.