Les radiographies utilisées pour examiner une jambe cassée à l’hôpital sont faciles à produire. Dans l’industrie, cependant, un rayonnement X d’un type complètement différent est nécessaire, à savoir des impulsions laser à rayons X aussi courtes et à haute énergie que possible. Ils sont utilisés, par exemple, dans la production de nanostructures et de composants électroniques, mais aussi pour suivre des réactions chimiques en temps réel.
Il est difficile de produire des impulsions de rayons X intenses et à ondes extrêmement courtes dans la gamme de longueurs d’onde du nanomètre, mais maintenant une nouvelle méthode plus simple a été développée à TU Wien (Vienne) : le point de départ n’est pas un laser titane-saphir, qui avait principalement été utilisé à cette fin, mais un laser à l’ytterbium. L’astuce cruciale est que la lumière est ensuite envoyée à travers un gaz afin de modifier ses propriétés.
Les longues longueurs d’onde conduisent aux courtes longueurs d’onde
La longueur d’onde d’un faisceau laser dépend du matériau dans lequel il est généré : Dans les atomes ou les molécules impliquées, les électrons passent d’un état à un autre avec une énergie plus faible. Cela provoque l’émission d’un photon – sa longueur d’onde (et donc sa couleur) dépend de la quantité d’énergie que l’électron a perdue lors de son changement d’état. De cette manière, différentes couleurs laser peuvent être produites – du rouge au violet.
Cependant, pour créer des faisceaux laser avec des longueurs d’onde encore plus petites, des astuces spéciales doivent être employées : Tout d’abord, des faisceaux laser avec une longue longueur d’onde sont créés et projetés sur des atomes. Un électron est arraché à l’atome et accéléré dans le champ électrique du laser. Il se retourne ensuite et entre à nouveau en collision avec l’atome dont il est issu – et peut ainsi produire des rayons X à ondes courtes. Cette technique est appelée « génération d’harmoniques élevées ».
« À première vue, la situation semble quelque peu contre-intuitive », déclare Paolo Carpeggiani de l’Institut de photonique de la TU Wien. « Il s’avère, en fait, que plus la longueur d’onde du faisceau laser d’origine est grande, plus les longueurs d’onde que vous pouvez obtenir au final sont petites. » Cependant, l’efficacité de la production de rayonnement X diminue également dans le processus : si vous souhaitez produire un rayonnement à ondes très courtes, son intensité devient très faible.
Ytterbium au lieu de titane saphir, gaz au lieu de cristal
Jusqu’à présent, cette technique était presque toujours employée en utilisant des lasers titane-saphir, puis en augmentant la longueur d’onde de leur rayonnement avec des cristaux spéciaux afin de générer le rayonnement X le plus court possible grâce à la génération d’harmoniques élevées. Cependant, l’équipe de TU Wien a maintenant développé une méthode plus simple et en même temps plus puissante : ils ont utilisé un laser à l’ytterbium. Les lasers à l’ytterbium sont plus simples, moins chers et plus puissants que les lasers au titane-saphir, mais jusqu’à présent, leurs performances en production de rayons X étaient bien inférieures.
À TU Wien, la longueur d’onde du rayonnement du laser à l’ytterbium a d’abord été augmentée – non pas en envoyant ce rayonnement à travers un cristal comme d’habitude, mais en l’envoyant à travers un gaz moléculaire. « Cela augmente considérablement l’efficacité », déclare Paolo Carpeggiani. « Au lieu des 20 % que nous avions l’habitude d’obtenir, nous obtenons environ 80 %. »
