Impulsions X (et xuv) femtosecondes...

Philippe Zeitoun et collaborateurs

Laboratoire d’Optique Appliquée, Palaiseau

Impulsions X (et xuv) femtosecondeset

applications

QUELQUES COLLABORATEURS…Laboratoire d’Optique AppliquéeF. Alahyane, L. Antonucci, Ph. Balcou, D. Boschetto, F. Burgy , S. Sebban, J.P. Goddet, J. Gautier, D. Douillet, G. Lambert, T. Lefrou, T. Martchenko, A.S. Morlens, E. Papalazarou, G. Rey, A. Rousse, J.P. Rousseau, K. ta Phuoc, A. Tafzi, C. Valentin

Laboratoire d’Interaction du rayonnement X avec la MatièreO. Guillbaud, G. Jamelot, S. Kazamias, A. Klisnick, J.C. Lagron, M. Pittman, D. Ros

Laboratoire Physique des Gaz et des PlasmasB. Cros, K. Cassou, G. Maynard

Laboratoire Charles Fabbry de l’Institut d’OptiqueF. Delmotte, D. Joyeux, D. Phalippou, M.F. Ravet, S. De Rossi

SOLEILM.E. Couprie, M. Idir, P. Mercère

Institute of Physics, PragueT. Mocek, B. Rus

Instituto Superior Tecnico, LisbonneM. Fajardo

Universidad Politecnica de MadridE. Oliva, P. Velarde-Mayol

CEA-SPAMM. Billon, B. Carré, D. Gauthier, M. Géléoc, O. Gobert, , H. Merdji H. Pérez, A. Ravasio

Imagine OpticsS. Bucourt, G. Dovillaire, X. Levecq

Uppsala University, SuèdeJ. Hajdu, F. Maia

Plan de la présentation

1- Présentation de quelques sources X femtosecondes• Harmoniques d’ordre élevé en phase gaz• Harmoniques d’ordre élevé sur solide• Laser X ASE et injecté• Bétatron• LEL plasmas• LEL SASE et injecté

2- Optique X et imagerie X femtoseconde• Miroirs X “classiques” et chirpés• Senseurs de front d’onde et optique active X• Holographie X, diffusion X et diffraction X

3- Matière à haute densité d’énergie• Création de plasmas par laser X• Diagnostics de plasmas

4- Physique du solide• Fluorescence• Fusion athermique• endomagement

5- Biologie• Imagerie de macro-molécules

LES HARMONIQUES D’ORDRE ÉLEVÉ (pour l’injection)

H43 H47 H49 H51 H53 H55 H57 H59 H61 H65 H71 H77 H83 H91H89

Δλ/λ ~ 10-218.6 nm 8.8 nm

Un spectre étendu en créneau

Un spectre continûment accordable (et simplement)

Nam et al. KAISTKazamias et al

INFLUENCE DU FRONT D’ONDE INFRAROUGE

SHACK-HARTMANN

miroir déformable

M1

M3

M5

f=1m

f=150mm

M2

M4

Senseur Hartmann IR

Senseur Hartmann XUV

Genérationd’harmoniques

IR

Gautier et al EPJD (2008)

Valentin et al. JOSA B (2008)

rms= O.47λ (@800 nm) rms= O.28λ (@32 nm)

OPTIQUE ACTIVE IR / XUV

Front IR résiduel Front XUV résiduel

rms = 0.14 λIR(attendu 0.05 λ) rms =0.13 λXUV

Front IR résiduel(coma)

Front XUV résiduel(astigmatisme à 45°)

ON PEUT CORRIGER UN PEU LE FRONT D’ONDE

Un algorithme génétique pourrait mieux corriger le front d’onde

ENERGIE ~ 1 µJ/impulsion

HARMONIQUES GÉNÉRÉES EN LONGUE FOCALE

H. MERDJI ET AL, CEA-SACLAY

CELLULE DE 10 cm

LENTILLE DE 7 m DE FOCALE

14 16 18 20 22 24 26 28 30 310

2

4

6

8

10

x 10-3

Ordre harmonique

Tens

ion

Phot

odio

de (V

) ArgonH 25 (32 nm)

Harmoniques sur solide

45 35 25 15

Longueur d’onde (nm)

ω : effet Dopplerτ : nb de cycle est un invariant de Lorentz

GÉNÉRATION D’HARMONIQUES SUR SOLIDE

Facteur de compression relativiste:

γ=[1+(Iλ2/1.3×1018[Wcm-2])2/2]1/2

@λ=1,05 µmI=1019 Wcm-2; γ~6 ⇒ λ ≥ 7 nmI=1020 Wcm-2; γ~61⇒ λ ≥ 0,7Å

Dromey et al, Nature Physics, 2, 456, 2006

TOUT N’EST PAS SI SIMPLE…MAIS CA MARCHE BIEN

LA CIBLE DOIT ÊTRE UN MIROIR PARFAIT⇒ PAS DE PRÉ-IMPULSION, NI D’ASE (UN PLASMA EST CRÉÉ POUR I>1010 Wcm-2)

⇒ CIBLE POLIE OPTIQUE (TAUX DE RÉPÉTITION?)

⇒ DES INSTABILITÉS SONT INDUITES PAR LA FORCE PONDÉROMOTRICE

QUID DES QUALITÉS OPTIQUES? (COHÉRENCE, FRONT D’ONDE)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-100 -50 0 50 100

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-100 -50 0 50 100

T=30 fs T~ 5 fs

LA LONGUEUR D’ONDE DE COUPURE DÉPEND FORTEMENT DE LA FORME TEMPORELLE DU LASER

⇒ VERS LE RÉGIME λ3

Seuil de création d’un plasma

Lasers XUV

QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressor

are needed to see this picture.



Un faisceau collimaté (1-10 mrad)

Faible cohérence spatiale (1/100 faisceau)

Grande monocromaticité δλ/λ: 10-5 - 10-4

LASERS XUV EN RÉGIME D’ASE

2 ps

tem

ps

10 mrad

Durée d’impulsion: 2-200 ps

A. Klisnick et al, Phys. Rev. A 65 (2002) 033810

S . Sebban et al, Phys. Rev. A 61, 4 (2000)

B. Rus et al, Phys. Rev. A 55, 3858 (1997)

Energie par impulsion 0.1-10 mJCircularly polarized ultra short laser pulse Gas cell

X-ray laser(2J- 20 fs)

1J ns /psà

1kJ/ns

HHG cellToroidal mirrorDelay line

1 J, 30 fs

XRL amplifier

Al filter

20 mJ, 30 fs

XRL laser beam

λ/4

λXRL

λXRL

To diagnostics

SCHEMATIC DESCRIPTION OF THE SEEDING EXPERIMENT

Ph. Zeitoun et al, Nature 2003

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 100 200 300 400 500 600 700 800

XRL line

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 100 200 300 400 500 600 700 800

HHG +XRLnon synchronized

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Amplified harmonic

Wavelength

Nature, Vol 431, 09/2004, pp. 466Amplification factor from 15 to 600, routinely achieved.

EVIDENCE OF STRONG AMPLIFICATION

MAJOR ISSUES TO BE SOLVED

1- beam divergence, energy distribution

2 - beam polarisation, tunability

200

400

600

800

50 100 150 200 250 300 350polarization angle (deg)

inte

nsity

(a. u

.)

amplified HHGHHG

3 - spatial coherence

4 - wave front

5- pulse duration

THE FULL CHARACTERISATION SET-UP

Sources (SXRL, HHG, seeded SXRL)

Double slit spacing(100, 200, 300 µm)

45° mirror CCD

DOUBLE YOUNG’S SLIT EXPERIMENT

3 m

~1.5 m

1 mm

100 µm

200 µm

300 µm

C=100%

C=60%

C=45%

SPATIAL COHERENCE OF THE SEEDED X-RAY LASER

Oscillator(HHG)

ASE Amplifier

Seeded soft x-ray

laser

100 µm 200 µm 300 µm

AMPLIFICATION INCREASE THE SEED COHERENCE

Wave Front HHG seul (100 tirs)

Seeded XRL wave front

-6 -4 -2 0 2 4 6

-6

-4

-2

0

2

4

6 -0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HHG AND SEEDED X-RAY LASER WAVE FRONTS

-0.2

-0.25

0

High Harmonics wave front after the toroidal mirror

10 mm 5 mm

5 mm

Wav

e (λ

)

rms=0.05λrms=0.29λ

HHG beamAmplified beam

amplifier

X-RAY LASER AMPLIFIER IS AN ACTIVE SPATIAL FILTER

20 40 60 80 100 120

20

40

60

80

100

120

J. Ph. Goddet et al, Opt. Lett. 32, 11, pp. 1498-1500 (2007)

Schéma classique (barreau)

1 cm

20 µm50 µm

(40% amplificateur)

S = 4×10-6 cm-2 ⇒ Esat~80 nJ S = 5×10-4 cm-2 ⇒ Esat~ 10µJ

L’efficacité de pompage est accrue (×50)La géométrie “slab” réduit l’ASE (effet géométrique)On peut atteindre 0.1 mJ (10×Esat)

Nouveau schéma (slab)

1-2 mm50 µm

1 mm

Fsat ~ 20 mJ/cm2

UTILISER UN LASER À SOLIDE PLUTÔT QU’UN LASER À GAZ.

COMMENT EXTRAIRE DE L’ÉNERGIE D’UN PLASMA

Harmonique Harmonique

Kevin Cassou et al, Phys. Rev. A, 74, 4 (2006 )

X 1,000

X 10

10 nJ, 20 fs

10 µJ

0.1 mJ

0.1x0.05*2 mm3

1x0.05*1mm3

VERS UNE CHAINE D’AMPLIFICATION XUV

Tache focale de 0.1 µm, durée 100 fs ⇒ I=1019 Wcm-2

Harmonique

Projet européen NEST-TUIXS.

Sources X femtosecondes produites par des faisceaux d’électrons relativistes

Le faisceau de rayons X produit est collimaté si :

- les électrons sont relativistes, - le mouvement est principalement longitudinal,- la vitesse et l’accélération sont perpendiculaires

LE RAYONNEMENT SYNCHROTRON

θ

Θ∝1/γ2

GÉNÉRATION DU RAYONNEMENT “BÉTATRON

LA DURÉE D’IMPULSION DU BÉTATRON

RÉALISATION EXPERIMENTALE DU BÉTATRON

A. Rousse et al, Phys. Rev. Lett. 2004

LES PROPRIÉTÉS OPTIQUES DU BÉTATRON

- UN FAISCEAU COLLIMATÉ

- UNE PETITE SOURCE

R. Shah, Phys. Rev. E, 2006

LES CARACTÉRISTIQUES SPECTRALES DU BÉTATRON

~ 104-105 photons/impulsion/1% BW~ 109 photons/impulsion (intégré jusqu’à 10 keV)

Un spectre “blanc”…

ON PEUT ENCORE AUGMENTER L’ÉNERGIE

Des synchrotrons aux lasers à électrons libres

http://www-hasylab.desy.de/facility/fel/overview/basics/sasefel.htm

QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor


λph=λu(1+K2)/2γ2

λu: pas onduleur

γ: facteur de Lorentz

K= 0,094 λu(mm) Bu(T)

PRINCIPE D’UN LASER À ÉLECTRONS LIBRES

distance

ln(I)

Effet de macro-bunching (simulation PIC)



FLASH: LE PREMIER LEL XUV (6 ET 30 nm)

QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor


FLASH FONCTIONNE EN RÉGIME D’ASE (SASE)

rms λ/8

Shot 127Shot 125

Shot 130

rms λ/8rms λ/3

Shot 130

LE SPECTRE EST INHOMOGÈNE ET L’IMPULSION EST MICRO-STRUCTURÉE

(PAS EN LIMITE DE FOURIER)

LE FRONT D’ONDE EST INSTABLE

HarmoniquesλHHG=λph

injecté

SASE

Laser visible: L. H. Yu, Science 2000, L. H. Yu, PRL 2003

Harmonique: G. Lambert et al, Nature, 889, 2008

INJECTION D’UN LASER OU D’HARMONIQUES DANS UN LEL

E=150 MeVλu=15 mm

K=1.3λph=160 nm (H5)

Miroir SiC

IR and harmonics

Ti: Sa laser

Undulator section 1

Gas cell

e-

Electron source

Magnetic chicane

λ

Undulator section 2

CCD camera

Flat mirror

Grating

HHG

EXPÉRIENCE D’INJECTION D’HARMONIQUES SUR LEL

G. Lambert et al, Nature, 2008

162161160159 163

0.8

0.6

0.4

0.2

2 4 6 8

Inte

nsity

(a. u

.)

λ (nm)

Seeded(single shot)

HHG x500(single shot)

Unseeded x2600

(averaged 10 times)

Seeded

HHG

Unseeded

0

AMPLIFICATION:× 2 600 / ASE× 500 / HHG

DURÉE:τ ~ 50 fs (estimée)τ ~ 1 ps ASEτ ~ 50 fs (HHG)

SPECTRE:λ = 161.44 ± 0.12 nm rms

(Injec.)λ = 161.33 ± 0.23 nm rms (ASE)

H2 (80 nm) et H3 (53 nm) ont étéfortement amplifiés

FORTE AMPLIFICATION AVEC 1 ONDULEUR



EURO-XFEL ÉMETTERA VERS 0.1 Å EN 2013

2.5 km

0.5 km

LES LELs HYBRIDES: UNE SOLUTION D’AVENIR?

74 MeV

58 MeV

H.P. Schlenvoigt et al, Nature Phys. 2007

1- Présentation de quelques sources X femtosecondes

2- Optique X et imagerie X femtoseconde• Miroirs X “classiques” et chirpés• Senseurs de front d’onde et optique active X• Holographie X, diffusion X et diffraction X

3- Matière à haute densité d’énergie

4- Physique du solide

5- Biologie

L

Hole arrayXUV CCDcamera

y

x z

Ref

eren

ce fl

at w

ave

fron

t

Reference spot centroid position

Δy (Δx)Φy(x)

Abe

rrat

ed w

avef

ront

Aberrated spot centroid position

Φy = Δy/LΦx = Δx/L

Figure de Hartmann

PRINCIPE D’UN SENSEUR DE FRONT D’ONDE «HARTMANN»

P. Mercère et al, Opt. Lett. 2001

performance: λEUV/130 rms @13 nm

λEUV/25 rms , λEUV/5 PV1.28 nm rms, 6.4 nm PV

Accuracy

LE SENSEUR DE FRONT D’ONDE XUV

De la diffusion cohérente à la diffractionet à l’holographie XUV

10 ps Nd:YLFheats and ablates sample

FLASH at 13.5 nmprovides 40 fs probe

Sample: 200nm Si on 100nm Si3N4

• graded ML coated mirror• hole removes unscattered FLASH beam

Klaus Sokolowski-Tinten (Essen)

DIFFUSION COHÉRENTE XUV

-10 ps 15 ps 40 ps 140 ps

340 ps 840 ps 1.1 ns 1.35 ns

1.85 ns 4.5 ns ∞

EVOLUTION TEMPORELLE DE L’ÉCHANTILLON EXCITÉ

340 ps

• Ripples are LIPSS• Measured 305 nm• Theory:

• Surface waves

Λ = λ 1+ sinθ( )λ = 527 nm; θ = 47Þ

⇒ Λ = 304 nm

Ablated regionWavesLiquid

MÉCANISMES DE FUSION DE LA SURFACE

• Initial calculations show ~150 nm waves

DIFFRACTION XUV MONO-TIR À 32 nm À FLASH

Image brute

Image reconstruiteE~20 µJ, 50 fs, focalisé sur 20 µm

Réalisé par FIB : A. Madouri, J. Gierak, D. Mailly LPN MarcoussisReconstruction :

F. Maia/J. Hajdu (Uppsala/Stanford)

DIFFRACTION XUV « MONO-TIR » AVEC DES HARMONIQUES

RÉSOLUTION ~ 150 nm

2 µm

H. MERDJI et al, CEA

HOLOGRAPHIE HORS-AXE AVEC FILTRAGE SPATIAL

λ =1.59 nm

Seuil d’absorption L3 du Co

Polarisation circulaire

S. Eisebitt et al, Nature, 432 (2004)

Résolution : 50 nmCo/Pt

Pointe 50 nm

MICROSCOPIE HOLOGRAPHIQUE DIGITALE EN LIGNE

~2 µm

Résolution théorique

N.A.=0.037

Rl=520 nm

Expérience

Rl=610 nm

IMAGE D’UNE POINTE D’AFM

IMAGE BRUTE

RECONSTRUITE

Images de phase et d’amplitude

MONOCHROMATIQUE

LARGE BANDE (12 nm)

POLYCHROMATIQUE(4 HARMONIQUES)

0.5 µm

Imag

es re

c ons

t ruite

s

HOLOGRAPHIE MONO- À POLYCHROMATIQUEin

terfé

rog r

ames

bru

tes

2*[B4C/Mo/Si] +4*[B4C/Mo/Si]

12.5 nm

R ≈ 15 à 20 %

10 20 30 400,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

Réf

lect

ivity

Wavelength (nm)

ExperimentalTheoriticalfit

d1Substrat

2*

4*

d2

UN TRAITEMENT MULTICOUCHE LARGE BANDE

J. Gautier, et al Appl. Opt. 44, 384-390 (2005)F. Delmotte, et al Proceedings of SPIE -- Volume 5963 (Oct. 5, 2005)

Résolution spatiale =840 nm

5 harmoniques ΔT~350 as

Image brute

Image reconstruite

DÉMONSTRATION DE L’HOLOGRAPHIE ATTOSECONDE


2- Optique X et imagerie X femtoseconde

3- Matière à haute densité d’énergie• Création de plasmas par laser X• Diagnostics de plasmas


5- Biologie

classical plasma

dense plasma

high densitymatter

Γ = 1

Γ = 10

Γ = 100

Density ( g/cm3)

103

104

101

102

102 10410010-4 10-2 1

LA MATIÈRE DENSE ET TIÈDE (warm dense matter)

QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compressé)

sont requis pour visionner cette image.

HIPER

Intérieurs des planètes géantes

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

Tem

pera

ture

(eV

)

1 10 100 1000Averaged Density (g/cc)

BeDT

WDM

Γ: rapport entre l’énergie d’interaction et l’énergie cinétique

Γ∝Z2e2ρ1/3/TWDM: matière très dégénérée

⇒ propriétés physiques sont méconnues,⇒ difficile à produire en labo

Fusion : énergie du 21ème Siècle

7700 GPaqq eV

T (e

V)

Mg Al Si

10 eV

10nsolide

Laser X :1013 Wcm-2

0.1 mJ100 ps13 nm

UN LASER X/XUV PEUT CRÉER DE LA « WDM »

Te (eV)50

ne (cm-3)

1023

1022

1021Laser X

Tem

ps (p

s)

0

50

-20

25

0

M. Fajardo, P. Zeitoun, J.-C. Gauthier Eur. J. of Phys. D, 29,1, p69 (2004)

LES DIAGNOSTICS DE PLASMA PAR SOURCES X FEMTO

IMAGERIE INCOHÉRENTE

IMAGERIE COHÉRENTE

PHYSIQUE ATOMIQUE

Photo-pompage,

Spectroscopie d’absorption

Redistribution de fréquence

Diffusion Thomson X

THÉORIE EXPÉRIENCEImagerie en contraste de phase,Imagerie au seuil d’absorptions

Interférométrie,Holographie,Mesure d’indices optiques




4- Physique du solide• Fusion athermique• Phonons cohérents• Ablation femtoseconde• Fluorescence

5- Biologie

Wavelength (nm)300 400 500 600

Inte

nsi ty

(a.u

.)

0

50

100

150

200

700 800 900200

Comparison of spectra obtained on DCI or with an XRL

1013 ph/sec/cm2

550 nm band

X-ray laser; 58 eV

1013 ph/pulse/cm2

The high XRL intensity has created a new band due to the presence of localized defects

DCI; 10 keV

LUMINESCENCE WITH AN ULTRA-FAST EXCITING LIGHT

800 nm36 mJ1 kHz40 fs

Ar40 mbar

1.8 mJHollow fibreΦ = 200 µmL = 4cm

Flat grating155,47 l/mm

Suppression ofthe Zero order

crystal

PM

Toroidalmirror

slit

PM VUV

Visible PM

A. Belsky and collaborators, CELIA - France

Fluo

resc

ence

inte

nsity

(a.u

.)

100

101

104

103

102

105

time (ns)8 10

synchrotron

HHG

12 14 16 18 20

Dynamics of the luminescence of a Ba crystalexcited by a synchrotron light or HHG

pulse width

100*I

Ba is normally an Auger free luminescence crystal

I

LE PRINCIPE DE LA DIFFRACTION X FEMTOSECONDE

… INITIALEMENT APPLIQUÉE À LA PHYSIQUE DES SOLIDES

Laser fs (mJ, kHz)

Cristal torique

Source Xkα

échantillon

CCD

.

1.05

1.00

0.95

0.90

0.85

0.80Nor

m. i

nteg

r. in

tens

ity

6543210-1Delay (ps)

Fusion athermiquede l’InSb

F = 0.05 J/cm Δ t=1.2 ps2

F = 0.1 J/cm Δt=500 fs2

F = 0.2 J/cm Δt=350 fs2

Laser fs (mJ, kHz)

• A. Rousse et al, Phys. Rev. E 50 (3) 2200 (94)

C. Rischel et al, Nature 390 490 (97)

A. Rousse et al, Nature 410 (6824) 65 (2001)

… ELLE PERMET DE MESURER DES IMPULSIONS X FEMTO

La durée du “bétatron” est inférieure à 100 fs (25 fs théorie)

EXCITATION COHÉRENTE DES PHONONS OPTIQUES

Miroir multicouche B4C/Mo/Si

cellule degaz

retard

photodiode

Bi(111)

f =1.5 m

Ti:Sapphire1kHz, 35fs,

10mJ/impulsion

Pompe

Sonde

Enceinte expérimentale

zx

XUV camera

f =1 mfiltre Al

réseau XUV

filtre Al

Mirror XUV

F= 6 mJ/cm2

ΔR(t)R

= AΘ(t) + Bexp(−t /τ ph )cos(ω0t + φ)

TF

~1.73 THz~1.73 THz 2.92 THz

Papalazarou et al., Appl. Phys. Lett. 93, 041114 (2008)

Oscillation cohérentedes phonons

Modification du potentielinteratomique

Mode de vibration A1g

OBSERVATION DES PHONONS COHÉRENTS

Bismuth

Soutenance de thèse au LOA le 16 octobre

ABLATION PAR FAISCEAU XUV FEMTOSECONDES

argon

Harmoniques

Al

Echantillon (PMMA)

Hartmann

IR

Collaboration Libor Juha, J. Chalupský, V. Hájková, V. Vorlíček

Institute of Physics, Czech Republic

Parabole hors axe

rms ��λEUV

Front d’onde Tache focale calculée

Tache focale ≈ 2*4 µm2 à1/e2

ESTIMATION IN-SITU ET EX-SITU DE LA TACHE FOCALE

Image AFM post-mortem

I~1011 Wcm-2





5- Biologie• Imagerie de macro-molécules

DIFFRACTION X DE MACROMOLÉCULES BIOLOGIQUES (SUR XFEL)

12 keV, 0.1 nm de tache focale,1012 photons, 2 fs

Selon les théories actuelles, la molécule survit 4 fs …!

Lyzoyme (virus, protéine)

Neutze et al, Nature 2001

DEUX PETITES REMARQUES

LE LASER À ÉLECTRONS LIBRES « FLASH » PRODUIT BEAUCOUP DE RÉSULTATS À FORT IMPACT CAR

1) IL EST « VISIBLE » DONC ATTRACTIF

2) L’INSTALLATION EST DÉDIÉE À LA PRODUCTION ET L’UTILISATION DES RAYONS X FEMTOSECONDES

LE LOA, DEPUIS 10 ANS

UNE NOUVELLE INSTALLATION AU LOA POUR DES EXPÉRIENCES INÉDITES

EXCITER (RAYONS X, ÉLECTRONS, PROTONS) PUIS SONDER (RX, HARMONIQUES)

CONCLUSION

1] UNE GRANDE DIVERSITÉ DE SOURCES XUV À X (50 nm à 0.1 Å)

De nombreuses applications démontrées mais peu poursuivies⇒ Besoin de centre(s) dédié(s) sur les sources secondaires

2] LES LASERS À ÉLECTRONS LIBRES VONT TIRER NOTRE COMMUNAUTÉMAIS

- Le cout, - le faible temps de faisceau, - certains problèmes intrinsèques (jitter, mode sase)

laissent une place certaines aux sources par laser.

3] LE PROJET « E.L.I. » POURRAIT CATALYSER LES DÉVELOPEMENTS EFFECTUÉS SES 10 DERNIIÈRES ANNÉES.(www.eli-laser.eu)

http: //hasylab.desy.de/facilities/xfel_project/index_eng http://www.newlightsource.org/http://flash.desy.de/photon_science/. http://arcenciel.synchrotron.fr/portal/page/portal/Arc-En-Ciel/

http:// www2.synchrotron-soleil.fr/workshops/2008/science-x/index.htm

Perfect diffracted wave front

diffraction pattern fromµm pinhole

Hartmann Calibration at 32 nmCALIBRATION D’UN SENSEUR DE FRONT D’ONDE

P. Mercère et al, Opt. Lett. 2001

λEUV/130 rms @13 nm obtenu avec un trou de 0.1 µm de diamètre

λEUV/6 rms , 0.8 λEUV PV5.44 nm rms, 25 nm PV

λIR/9 rms 88 nm rms

HHG Wave front measurement

IR beam EUV beam

20 25 30 35 40 45 50

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

WF @ 20 mbar20 25 30 35 40 45 50

-0.2

-0.2

-0.1

-0.1

-0.0

0

0.05

0.1

0.15

0.2

WF @ 40 mbar

RMS=0.064

PV=0.489

RMS =0.097

PV=0.505

1

0.8

0.65

0.510 20 30 40

Mea

n di

amet

er (µ

m)

ellip

ticity

Gas pressure (mbar)

50

30

10

70

Spatial filtering vs XRL amplifier gas pressure

Avec un trou de 5 µm

Répétabilité Sensitivité

λEUV/80 rms , λEUV/12 PV0.4 nm rms, 2.6 nm PV

Déplacement du trou de 10 µm

Linéarité meilleure que 0.5 % dans une plage de +/- 100 μm

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0Erre

ur d

e m

esur

e (

μ m)

3002001000-100-200 Déplacement du point source ( μm)

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

FO ré

sidu

el (n

m)

15:001/01/04

16:00 17:00

Heure de mesure

0,4

0,2

0,3

0,1

FO ré

sidu

el (n

m)

Heure de mesure

-200 -100 0 200100 300

Déplacement du point source (µm)15:00 16:00 17:00

Erre

ur d

e m

esur

e (µ

m)

-1.0

1.0

0

0.5

-0.5

CALIBRATION DU SENSEUR DE FRONT D’ONDE

λEUV/130 rms @13 nm obtenu avec un meilleur filtrage spatial

Jet de gaz => HHG

Miroir torique

Detection

Jet d’hélium(N> 1019 at/cm3)

2nd harmonic pulse

Spectromètre

160 mJ

~ 1 mJ

UHI10 (800nm, 60fs)

MESURE DE DENSITÉ PAR INTERFÉROMÉTRIE SPECTRALE

Δt est fixe car défini l’interfrangeLe délai τ est variable

1st harmonic pulsePlasma

τ

Laser IR

Δt

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

Δi/i

Delay

τ (fs)

Time-resolved electron density measurement

P. Salières et al. PRL 83, 5483 (1999)

• Ultrashort resolution ~ 200 fs• ne(t) → ne max=7.1019 e-/cm3

J.F. Hergott et al. Las. Part. Beams 19, 35 (2001)

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

0

2

4

6

8

10

τ = 0

τ < 0

τ > 0

dens

ity

(101

9e-

/cm

3 )

Delay (fs)

Pompe-sonde délais τ (fs)0-700 700

λ(nm)

73

wavelength (nm)

200 500300 400 600 700 800

Inte

nsity

(a.

u.)

230

430

330

280

380 2×109 photons.cm-2

CsI

Slow bands (µs)

Fast bands (ns)

First observation of direct quenching due to the high intensity

7×109 photons.cm-2

2×1011 photons.cm-2

P. Jaeglé et al, J. Appl.Phys.81, 2406 (1997)

Collisional excitationby hot electrons, E>105 eV


Pd-like ground state (4d10)

Pd-like xenon

1P1

3P1

1S0

4d95p

4d95d

4d95f

4d94f

3D1

1P1

3D1

167.

6 Å

165.

3 Å

161.

9 Å

96.3

Å98

.1 Å

143.

6 Å

120.

1 Å

Rh-like ground state (4d9)

1P1

3P1

99.1

Å

418 Å

1S0

1P1

3D1

3P1

Ni-like ground state (1s22s23p63s23p63d10)

3d94p

3d94d

3d95f3d94f

1P1

3D1

114.

9 Å

65.9

Å

66.3

Å

76.8

Å76

.3 Å

75.4

Å

Co-like ground state (1s22s23p63s23p63d9)

326 Å

Ni-like krypton

115.

7 Å

1P13P1

1P1

3D13D1

117.

7 Å

SCHÉMA DE POMPAGE D’UN LASER XUV



Impulsions X (et xuv) femtosecondes...

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