Laser à électrons libres

Diagramme du laser à électrons libres.

Un laser à électrons libres (en anglais, free electron laser : FEL) est un type de laser qui fonctionne en utilisant des électrons qui ne sont pas liés à un atome, d’où l'adjectif « libres », pour créer des photons. La lumière produite est à la fois cohérente, intense et peut avoir une longueur d'onde située dans une large gamme, depuis les micro-ondes jusqu'aux rayons X durs, en passant par l'ultra-violet, le domaine visible et l'infrarouge.
Fonctionnement
Du fait de l'absence de miroirs adaptés, le phénomène de pompage laser utilisé dans les lasers classiques (par exemple dans les lasers à gaz, ou dans les diodes lasers) ne peut être employé pour produire de la lumière dans une large partie du spectre électromagnétique.Un principe de fonctionnement complètement différent doit alors être employé.

Les lasers d'électrons libres ont un principe d'émission faisant intervenir des électrons non liés à un atome particulier. Ces électrons sont d'abord accélérés au sein d'accélérateurs de particules jusqu'à une énergie parfois supérieurs à 15 GeV pour les plus grosses machines (la valeur varie en fonction de la longueur d'onde de la lumière que l'on veut produire), puis passent au travers d'un "onduleur", qui n'est autre qu'une série d'aimants dont les pôles sont inversés. Il s'ensuit une trajectoire en zigzag des électrons et l'émission d'un rayonnement synchrotron.

La grande différence entre les lasers d'électrons libres et les machines à rayonnement synchrotron classiques se situe dans la longueur des onduleurs : alors que ceux utilisés dans les machines classiques sont de taille modeste (au maximum quelques mètres pour des synchrotrons de rayons X), les onduleurs des lasers d'électrons libres peuvent faire jusqu'à plusieurs centaines de mètres pour les machines fonctionnant dans le domaine des rayons X durs.

Cette très grande longueur de l'onduleur permet l'apparition d'un phénomène dit de "micro-bunching" au cours duquel le paquet d'électrons traversant l'onduleur se trouve coupé en sous paquets, séparés d'une distance égale à la longueur d'onde de la lumière synchrotron produite (du fait de l'action de celle-ci vue comme un champ électromagnétique sur les électrons), et par suite d'un phénomène d'amplification exponentiel de la lumière produite (phénomène SASE ou self amplificating spontaneous emission), jusqu'à ce qu'une valeur dite de saturation (généralement très élevée) soit atteinte. Ce phénomène a aussi l'avantage de garantir une cohérence longitudinale (ou transverse) proche de 100% de la lumière émise.

Les lasers d'électrons libres présentent aussi l'intérêt de permettre la production d'impulsions de lumière très courtes, la longueur de l'impulsion reflétant celle de l'impulsion d'électrons à son origine (or la taille des paquets d'électrons peut être rendue très courte dans les accélérateurs linéaires qui n'ont pas besoin de fonctionner" à l'équilibre" comme les anneaux de stockages, du fait de la très faible durée de vie du paquet d'électrons).

( source : Wikipédia )