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De nouveaux composants d'optique pour les expériences ultra rapides

Pour étudier des réactions chimiques sur des périodes très courtes, on utilise des sources de lumière cohérente, puissantes et générant des impulsions très brèves. Un projet financé par l'UE a mis au point de nouveaux éléments optiques diffractifs, qui ouvrent de nouvelles voies d'étude dans le domaine de la dynamique des réactions ultra rapides.
De nouveaux composants d'optique pour les expériences ultra rapides
Les générateurs d'impulsions optiques ultra-rapides approchent l'échelle temporelle des processus atomiques ou moléculaires, révolutionnant les recherches en biologie, en physique et en chimie. La spectroscopie résolue dans le temps utilise des lasers pulsés pour suivre des processus très rapides comme les mouvements des molécules ou le transfert d'électrons entre atomes. Pour faire progresser ces techniques de spectroscopie, il faut intégrer des éléments optiques diffractifs, dotés d'une forte cohérence temporelle, dans le champ optique d'un faisceau laser.

Les scientifiques du projet 3D RZP (The advanced instrumentation on the basis of 3D RZP for modern UV and X-ray sources), financé par l'UE, ont mis au point des dispositifs optiques de haute qualité, destinés à la spectroscopie résolue dans le temps et couvrant tout le spectre ultraviolet et X. En effet, seuls ces dispositifs, bénéficiant d'une réflexion externe totale, peuvent focaliser des rayonnements très énergétiques. L'usage de lamelles zonées de Fresnel a permis d'obtenir une dispersion spatiale de l'énergie.

Actuellement, les installations de «femtoslicing» dans les anneaux de stockage de rayonnement synchrotron représentent l'une des rares sources d'impulsions X inférieures à la picoseconde et couvrant toute la gamme d'énergie des photons X. C'est ainsi que le site de femtoslicing de BESSY, en Allemagne, est le seul à permettre d'étudier une dynamique ultra-rapide avec des impulsions X descendant jusqu'à environ 100 fs, avec une polarisation variable, linéaire et circulaire. Cependant, l'augmentation de la durée de cohérence réduit le flux de photons par impulsions. L'équipe de 3D RZP a réalisé et mis en service un nouveau type de ligne de faisceau à femtoslicing, qui s'est avéré au moins 20 fois plus puissant. Cette installation unique utilise un ensemble de lamelles zonées de réflexion, hors axe et couvrant une large plage de fréquences.

Ces lamelles ont aussi servi dans la spectroscopie d'absorption X résolue dans le temps en biologie, à l'aide de lasers à électrons libres. Le spectromètre comprend jusqu'à 100 lamelles zonées réflectives, sur un substrat de silicium.

Les scientifiques ont aussi étudié et modifié la technique de micro-fabrication des éléments optiques diffractifs au niveau de son exactitude, uniformité et fiabilité. Ils ont ainsi mis au point le tout premier processus de gravure précise du silicium par plasma, et conçu des techniques innovantes utilisant la gravure par abrasion ionique pour réaliser des éléments optiques diffractifs avec une période latérale descendant jusqu'à 100 nm.

Les éléments optiques diffractifs sont essentiels aux études utilisant les synchrotrons, les lasers à électrons libres et les générateurs de rayonnements avec harmoniques de haute fréquence. Les nouveaux éléments optiques diffractifs couvrent la gamme des photons X de haute énergie, jusqu'à 20 keV, et faciliteront la conception de systèmes optiques personnalisés.

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Mots-clés

Réactions chimiques, éléments optiques diffractifs, spectroscopie résolue dans le temps, 3D RZP, lamelles zonées de réflexion