LASERS À ÉLECTRONS LIBRES

1.  Principe du laser à électrons libres (LEL) 

Un laser est un amplificateur d'ondes électromagnétiques. Dans un LEL, le milieu amplificateur est constitué d'un faisceau d'électrons de haute énergie qui passe à travers un onduleur (fig. 1). Accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, les électrons entrent en interaction avec un champ magnétique (transverse et alterné), fourni par les différents aimants constituant l'onduleur, et émettent spontanément des photons qui ne constituent rien d'autre qu'un rayonnement synchrotron. Ainsi, à chaque oscillation, un électron émet du rayonnement synchrotron. À la fin de son passage dans l'onduleur, il a émis un train d'onde. Si tous les électrons sont en phase, tous les trains d'onde émis le sont également. Ces derniers s'additionnent donc au lieu de tendre à se détruire lorsque des oscillations positives et négatives se trouvent au même endroit. Le rayonnement émis devient alors proportionnel au carré du nombre d'électrons, soit N_e², alors qu'il est simplement proportionnel à N_e pour le rayonnement synchrotron. Comme N_e est de l'ordre de 10⁹, il s'agit d'une forte amplification qui permet ainsi d'obtenir une émission laser. 

Rappelons que dans tout laser, le rôle de l'émission stimulée est bien de mettre en phase tous les émetteurs de photons en les « forçant » à émettre en même temps que l'onde incidente. Dans le cas du L.E.L., c'est le rayonnement synchrotron « incohérent » émis au début de l'onduleur qui initie la mise en phase des électrons en provoquant leur regroupement. Ce dernier se produit par modulation périodique de la vitesse des électrons lorsque ceux-ci sont soumis simultanément à deux champs transverses périodiques : celui de l'onduleur, qui est statique, et celui du rayonnement synchrotron émis. Dans le champ de l'onduleur, considéré comme dominant, les électrons acquièrent une vitesse transverse qui les couple au champ électrique de l'émission spontanée. Ce couplage garde le même signe pour un électron d […]