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Focaliser un faisceau d’électrons relativistes avec une lentille laser-plasma

18 juin 2015

LOA - UMR 7639

Des physiciens ont pour la première fois réduit la divergence d’un faisceau d’électrons relativistes issu d’un accélérateur laser-plasma grâce à une lentille plasma produite par la même impulsion laser que l’accélérateur. Les performances de cette collimation permettent d’envisager le couplage entre ces nouveaux accélérateurs laser-plasma et les lignes traditionnelles de transport d’électrons.

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Le champ électrique créé par le passage d’une impulsion laser ultra-intense est assez fort pour accélérer des électrons à des vitesses relativistes sur une distance de quelques millimètres. L’un des freins au développement de ce nouveau type d’accélérateurs est la divergence du faisceau d’électrons relativistes produits, ce qui rend problématique leur transport jusqu’à leur cible. Des chercheurs du Laboratoire d’optique appliquée - LOA (CNRS/ENSTA-Paristech/École Polytechnique) viennent de démontrer expérimentalement la collimation d’un faisceau d’électrons issu d’un accélérateur laser-plasma à l’aide d’une lentille produite par le même type d’approche. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.

Pour ce travail, les physiciens ont fait interagir une impulsion laser intense dont l’énergie est de l’ordre du joule et d’une trentaine de femtosecondes de durée avec deux jets d’hélium gazeux qu’elle ionise et transforme en plasma. Le plasma formé dans le premier jet constitue l’accélérateur : l’impulsion excite dans son sillage une cavité ionique, dans laquelle des électrons du plasma sont piégés puis accélérés sur une distance de quelques millimètres. À la sortie de cet accélérateur, ces électrons relativistes divergent avec une ouverture angulaire de quatre milliradians à leur sortie de ce premier plasma. Un millimètre plus loin, ils pénètrent dans le second jet gazeux. L’impulsion laser qui précède ces électrons de quelques dizaines de femtosecondes, a fortement divergé et est de l’ordre de 10 fois moins intense que dans le premier jet, là où elle était focalisée. Comme dans le premier jet, cette impulsion crée aussi un plasma, mais les champs électriques et magnétiques sont bien moins intenses. Ils sont notamment trop faibles pour accélérer à nouveau les électrons. En revanche, les champs transverses sont eux suffisants pour réduire la divergence du faisceau d’électrons d’un facteur 2,6 sur une distance d’interaction d’un peu moins d’un millimètre. La focale de la lentille peut être modifiée simplement en changeant la densité du deuxième plasma ou la distance entre les deux. Cette réduction de divergence permet d’augmenter de presque un ordre de grandeur la distance sur laquelle les électrons peuvent se propager en conservant leur qualité. Ce gain devrait être suffisant pour pouvoir transporter les électrons dans une ligne de transport ordinaire et l’utiliser pour des applications.

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Schéma de principe de la lentille laser-plasma. Une impulsion laser (se déplaçant de la gauche vers la droite) traverse successivement deux jets de gaz qu’elle transforme en plasma. Des électrons (en vert) sont accélérés dans le sillage du laser dans le premier plasma puis ils sont collimatés dans le second plasma, la lentille.


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Spectres résolus spatialement avec et sans lentille. La lentille permet de réduire la divergence par un facteur 2,6. L’échelle de couleur indique le nombre d’électrons par MeV et mrad.

En savoir plus

Demonstration of relativistic electron beam focusing by a laser-plasma lens, C. Thaury1, E. Guillaume1, A. Dopp1,2, R. Lehe1, A. Lifschitz1, K. Ta Phuoc1, J. Gautier1, J.-P. Goddet1, A. Tafzi1, A. Flacco1, F. Tissandier1, S. Sebban1, A. Rousse1, V. Malka1, Nature Communications (2015)

Contact chercheur

Victor Malka, directeur de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Laboratoire d’optique appliquée (LOA)
2 Centro de Laseres Pulsados, Salamanca, Spain

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr