Conception et optimisation d’un recirculateur optique pour la source haute brillance de rayons gamma d’ELI-NP

Abstract

This thesis is about the design and the realization of the optical system of a new gamma-ray source, ELI-NP-GBS (Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics - Gamma Beam Source), which benefits from the recent developments in laser technology, optics and accelerators. The final characteristics that this source aims to reach is one order of magnitude higher in intensity than the actual best Compton machine, HIGS. A new type of optical system has been designed for ELI-NP-GBS. It is a 32 passes system made of two confocal parabolic mirrors and a set of Mirror-Pair Systems. The parabolic reflectors focalize and collimate successively a high intensity laser beam (400 mJ per pulse). The ``dragon-shape'' geometry ensures that the laser beam and electron bunches cross at a constant angle in a unique point. These performances are guaranteed by a few micrometers precision in position alignment, a few microradians precision in orientation alignment and by a few hundreds femtoseconds synchronization between electron bunches and laser pulses for each pass. This alignment and this synchronization is performed by used of dedicated procedures and algorithms. These algorithms have been developed and tested with numerical simulations which take into account the mechanical and optical aspects of the system such as the mechanical pre-alignment, the mirrors' surface deformations, the laser beam polarization, etc. A first proof of principle of the synchronization method has been successful.Cette thèse porte sur la conception et la réalisation du système optique d'une nouvelle source de rayonnement gamma, ELI-NP-GBS (Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics - Gamma Beam Source), qui utilise des développements récents des technologies des lasers, de l'optique et des accélérateurs. Les caractéristiques finales que devra atteindre cette source sont au moins d'un ordre de grandeur, en intensité, supérieur à la meilleure machine Compton actuelle, HIGS. Un nouveau type de système optique a été conçu pour ELI-NP-GBS. Il s'agit d'un système à 32 passages composé de deux miroirs paraboliques confocaux et d'un ensemble de paires de miroirs. Les miroirs paraboliques permettent la focalisation et la collimation successives d'un faisceau laser de haute intensité (400 mJ par impulsion). La géométrie "dragon-shape" garantie que le croisement du faisceau laser avec le faisceau d'électron se produise avec un angle constant en un point unique. De telles performances sont assurées par un alignement des éléments optiques à mieux que quelques micromètres en position et quelques microradians en orientation et une synchronisation de tous les passages avec les paquets d'électrons à mieux que quelques centaines de femtosecondes. Cet alignement et cette synchronisation est obtenue par l'intermédiaire de procédures et d'algorithmes spécialement développés pour ce système. Les algorithmes ont ainsi été développés et testés sur des simulations numériques dédiées prenant en compte les aspects mécaniques et optiques du système tel que les pré-alignements mécaniques, les états de surfaces des miroirs, la polarisation du faisceau laser, etc. Une première preuve de principe de la méthode de synchronisation a été concluante