Undulator design for Laser Plasma Based Free electron laser

The fourth generation of synchrotron radiation sources, commonly referred to as the Free Electron Laser (FEL), provides an intense source of brilliant X-ray beams enabling the investigation of matter at the atomic scale with unprecedented time resolution. These sources require the use of conventional linear accelerators providing high electron beam performance. The achievement of chirped pulse amplification allowing lasers to be operated at the Terawatt range, opened the way for the Laser Plasma Acceleration (LPA) technique where high energy electron bunches with high current can be produced within a very short centimeter-scale distance. Such an advanced acceleration concept is of great interest to be qualified by an FEL application for compact X-ray light sources. We explore in this paper what the LPA specificities imply on the design of the undulator, part of the gain medium. First, the LPA concept and state-of-art are presented showing the different operation regimes and what electron beam parameters are likely to be achieved. The LPA scaling laws are discussed afterwards to better understand what laser or plasma parameters have to be adjusted in order to improve electron beam quality. The FEL is secondly discussed starting with the spontaneous emission, followed by the different FEL configurations, the electron beam transport to the undulator and finally the scaling laws and correction terms in the high gain case. Then, the different types of compact undulators that can be implemented for an LPA based FEL application are analyzed. Finally, examples of relevant experiments are reported by describing the transport beamline, presenting the spontaneous emission characteristics achieved so far and the future prospects

Injection d'un laser à électrons libres (exemples de SPARC, UVSOR-II et perspectives pour ARC-EN-CIEL)

Ce travail porte sur le fonctionnement d un Laser a Electrons Libres (LEL) en configuration Injectée. Trois exemples sont présentés : celui de UVSOR-II (Okazaki, Japon), celui de SPARC (Frascati, Italie) et ceux du projet ARC-EN-CIEL (France). Sur l exemple de UVSOR-II, injecté avec un laser Ti :Sa a 1 kHz, des thématiques variées ont et e abordées : dynamique électronique, cohérence spatiale, structure spectrale et distribution angulaire du rayonnement, optimisation de la source avec une polarisation variable. Sur l exemple de SPARC, l injection d une source harmonique générée dans les gaz (HHG) est envisagée. Cette combinaison originale, offrant un rayonnement spatialement et temporellement cohérent de forte intensité de l UV aux rayons X, constitue une source d avenir. Une source harmonique dédiée a et e mise au point pour le LEL de SPARC et devrait permettre d ici fin 2008, outre des études systématiques de la combinaison LEL-HHG, la démonstration de nouvelles configurations de LEL injectés. Enfin, au cours des simulations effectuées pour le dimensionnement des sources de rayonnement d ARC-EN-CIEL, un nouveau régime de propagation de l impulsion LEL a été observé et reste en cours d etude.This work presents a general study on Free Electron Lasers (FEL) in the seeded configuration. Three examples are given : the UVSOR-II FEL (Okazaki, Japan), the SPARC FEL (Frascati, Italy) and the ARC EN CIEL project FEL (France). In the case of the UVSOR II FEL, seeded with a Ti :Sa laser at 1 kHz repetition rate, several studies have been performed : electron beam dynamics, spatial coherence, spectral structure and angular distribution of the radiation, optimization in helical mode. In the case of the SPARC FEL, the injection of a harmonic source generated in rare gas (HHG) is foreseen. This original combination stands as an attractive source for users with a high temporal and spatial coherence degree together with a high intensity from UV to X rays. A dedicated harmonic source has been designed, assembled and tested for the SPARC FEL. The operation of the combined devices should start in Winter 2008, allowing fine characterization of the HHG-FEL association and further demonstration of original HGHG FELs configuration. Finally, during the simulation studies performed for the design of the ARC EN CIEL light sources, a new propagation regime of the FEL pulse has been observed and is still under study.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

DYNAMIQUE ET PERFORMANCES DU LASER A ELECTRONS LIBRES DE SUPER-ACO AVEC UNE CAVITE RF HARMONIQUE A 500 MHZ

CE TRAVAIL S'INSCRIT DANS L'ACTIVITE DE DEVELOPPEMENT DU LASER A ELECTRONS LIBRES (LEL) INSTALLE SUR L'ANNEAU DE STOCKAGE (AS) SUPER-ACO D'ORSAY ET VISE A ELARGIR LE DOMAINE D'APPLICATION DE CE NOUVEAU TYPE DE LASER, THEORIQUEMENT ACCORDABLE SUR TOUT LE DOMAINE SPECTRAL. L'ETUDE A PORTE SUR LA DYNAMIQUE DU FAISCEAU D'ELECTRONS EN PARTICULIER POUR LE FONCTIONNEMENT AVEC UNE CAVITE RADIO FREQUENCE HARMONIQUE A 500 MHZ. LES CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DE LA CAVITE OPTIQUE ONT AUSSI ETE ETUDIEES EN DETAIL AFIN D'OPTIMISER LE RECOUVREMENT TRANSVERSE ENTRE LE FAISCEAU LASER ET LE FAISCEAU D'ELECTRONS. UNE PARTIE IMPORTANTE DU TRAVAIL EST L'ETUDE ET LA CARACTERISATION OPTIQUE DES MIROIRS MULTICOUCHES DIELECTRIQUES DE LA CAVITE OPTIQUE. UN SYSTEME COMPLET DE CARACTERISATION OPTIQUE A ETE MIS AU POINT AFIN DE SUIVRE L'EVOLUTION DES CARACTERISTIQUES OPTIQUES DES MIROIRS PENDANT LE FONCTIONNEMENT DU LASER. EN PARTICULIER UN SYSTEME DE MESURE DE L'ABSORPTION TOTALE ET DE LA RUGOSITE DE SURFACE DES MIROIRS ONT ETE DEVELOPPES. UNE AUTRE PARTIE FONDAMENTALE EST L'ETUDE DETAILLEE DE LA DYNAMIQUE DU LASER ET, EN PARTICULIER, DU MECANISME D'INTERACTION ENTRE L'IMPULSION LUMINEUSE ET LE PAQUET D'ELECTRONS MENANT A LA SATURATION. CE MECANISME A ETE PRECISE A L'AIDE D'UN NOUVEAU MODELE D'INTERACTION DONT CERTAINES PREDICTIONS ONT ETE VERIFIEES EXPERIMENTALEMENT. LES PERFORMANCES DU LASER ONT ETE CONSIDERABLEMENT AUGMENTEES GRACE AUX AMELIORATIONS DU COTE DU GAIN ET, A LA FOIS, DU COTE DES MIROIRS. LA PUISSANCE DE SORTIE A ETE AUGMENTEE D'UN FACTEUR 5, ET LE DOMAINE SPECTRAL DE FONCTIONNEMENT DU LASER A ETE ELARGI AVEC L'OSCILLATION A 300 NM. L'EXPERIENCE ACQUISE SU SUPER-ACO A PERMIS D'EVALUER LES PERFORMANCES DE LELS INSTALLES SUR DES AS DE NOUVELLE GENERATION COMME LE PROJET FRANCAIS SOLEIL ET CELUI ITALIEN ELETTRA. UNE SOURCE INTERESSANTE DE FAISCEAU GAMMA A ETE PRODUITE PAR UN PROCESSUS DE RETRO-DIFFUSION COMPTON ENTRE LE LEL ET UN PAQUET D'ELECTRONS RELATIVISTES.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF