Coherent harmonics of a Free Electron Laser obtained by the injection of harmonics produced in gas on the SCSS prototype accelerator.
Harmoniques cohérentes du Laser à Electrons Libres générées à partir d'harmoniques produites dans les gaz sur le prototype de l'accélérateur SCSS
Résumé
Today, single-pass Free Electron Lasers (FELs) allow the structure of matter to be studied in the femtosecond domain. Yet, even if the produced radiation, the so-called Self Amplified Spontaneous Emission (SASE) is highly bright, the longitudinal coherence is partial; the spectral and temporal profiles are composed of a series of peaks, called “spikes”, and present important statistical fluctuations. We demonstrate here the strong and coherent amplification of the 5th harmonic of a Ti: Sa laser (800 nm, 10 Hz, 100 fs) generated in a gas cell, i.e. 160 nm, and seeded in a FEL. This spectacular phenomenon is associated to the generation of intense and coherent Non Linear Harmonics (NLH) at 54 nm and 32 nm. The experiment has been carried out on the SCSS (SPring-8 Compact SASE Source, Japan) Prototype Accelerator. This facility is mainly based on a thermionic cathode electron gun, a LINAC and an in-vacuum undulator (2 sections of 4.5 m length), in which the external harmonic source is overlapped transversally, spectrally and temporally with the electron beam (150 MeV, 10 Hz, 1 ps). With only one undulator section, the 160 nm seeded emission achieves three orders of magnitude higher intensity than the unseeded one, and presents a quasi perfect Gaussian shape in the spectral distribution. Moreover, the FEL saturation length is twice smaller. In view of the low seed level required, such amplification associated to NLH schemes would allow the generation of fully coherent soft X-ray radiations down to the “water window”.
Aujourd'hui, les Lasers à Electrons Libres (LELs) en simple passage permettent d'étudier la structure de la matière dans le domaine de la femtoseconde. Cependant, le rayonnement produit, l'émission spontanée auto-amplifiée (SASE), bien que hautement brillante, possède une cohérence longitudinale partielle ; les profils temporel et spectral sont composés d'une série de pics, appelés « spikes », et présentent d'importantes fluctuations statistiques. Nous démontrons ici la forte amplification cohérente de la 5ème harmonique d'un laser Ti: Sa (800 nm, 10 Hz, 100 fs) générée dans une cellule de gaz, i.e. 160 nm, puis injectée dans un LEL. Ce phénomène spectaculaire s'accompagne de la génération d'Harmoniques Non Linéaires LELs (HNL) intenses et cohérentes à 54 nm et 32 nm. L'expérience a été réalisée sur le prototype de l'accélérateur SCSS (source SASE compacte de SPring-8, Japon). Cette installation est principalement constituée d'un canon à électrons à cathode thermo-ionique, d'un LINAC et d'un onduleur sous vide (2 sections de 4,5 m de long), au niveau duquel la source externe harmonique est superposée transversalement, spectralement et temporellement avec le faisceau d'électrons (150 MeV, 10 Hz, 1 ps). Avec une seule section d'onduleur, le rayonnement à 160 nm en mode injecté atteint une intensité de trois ordres de grandeur supérieure à celle obtenue sans injection, et présente une distribution spectrale quasi-Gaussienne. De plus, la longueur de saturation du LEL est deux fois plus courte. Vu le faible niveau d'injection requis, une telle amplification couplée à des schémas HNL permettrait de générer des rayonnements X-mous totalement cohérents jusqu'à la « fenêtre de l'eau ».
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