Les paquets d’électrons relativistes à l’origine du rayonnement synchrotron sont des milieux complexes, dans lesquels des structures spatialesapparaissent spontanément dès que le nombre d’électrons stockés dans un paquet est suffisamment important. Ces structures permettent aux électrons d’émettre un rayonnement cohérent très intense dans le domaine térahertz. Néanmoins, comme dans la grande majorité des cas, ces structures apparaissent et se propagent de manière très irrégulière, ce rayonnement est en pratique inutilisable. Une collaboration entre le laboratoire PhLAM de l’Université de Lille et le synchrotron SOLEIL a permis de démontrer la faisabilité de stabiliser un état du système où les structures sont régulières, permettant ainsi l’émission d’un rayonnement térahertz quasi-constant. Cette stabilisation, basée sur les méthodes de contrôle du chaos, est un premier pas vers une nouvelle source de térahertz intense pour les utilisateurs.
Lorsque le nombre d’électrons dans un paquet est trop important (autour de 8 mA au synchrotron SOLEIL en configuration classique), l’interaction des électrons avec leur propre rayonnement mène à l’apparition spontanée de micro-structures dans le profil longitudinal des paquets. Cette instabilité, appelée "micro-bunching instability", a été observée et étudiée depuis une vingtaine d’années dans de nombreux anneaux de stockage à travers le monde. Une conséquence importante de l’existence de ces micro-structures est qu’elles permettent aux électrons d’émettre un rayonnement en phase (i.e. cohérent longitudinalement) très intense aux longueurs d’ondes des micro-structures, c’est à dire dans le domaine térahertz. Néanmoins, malgré un gain en puissance très important par rapport au rayonnement classique incohérent (typiquement 103-105), ce rayonnement est habituellement émis sous forme de bouffées irrégulières, ce qui le rend inutilisable. Un mode particulier de l’anneau de stockage permet de diminuer ces fluctuations du rayonnement térahertz. Cependant, ce mode dit “low-alpha”, est en pratique peu utilisé (à SOLEIL, quelques jours/an) car il fait intervenir des paquets d’électrons avec une faible charge.
Figure 1 : Émission d’une impulsion térahertz cohérente par un paquet d’électrons dans un anneau de stockage due à la présence de micro-structures dans le paquet. Une approche inspirée des méthodes dites de « contrôle du chaos » a permis à la collaboration PhLAM-SOLEIL de contrôler la dynamique de l’émission.
La collaboration entre le laboratoire PhLAM et le synchrotron SOLEIL a montré qu’il était possible de rendre régulier le rayonnement térahertz cohérent, en mode normal de configuration de l’anneau, en utilisant une technique inspirée du contrôle du chaos. La méthode consiste à stabiliser un état du paquet d’électrons, qui est à la fois régulier (où les micro-structures apparaissent et se propagent de manière très régulière), mais naturellement instable. Cette stabilisation a été obtenue en utilisant une boucle de rétro-action entre le signal térahertz (enregistré avec un bolomètre sur la ligne AILES) et l’amplitude d’une cavité RF de l’anneau (avec l’effet recherché de modifier la longueur du paquet d’électrons). L’expérience de faisabilité à SOLEIL a montré que le processus de stabilisation est efficace jusque 9.15 mA, et que certaines fréquences du signal térahertz ont pu être diminuées jusqu’à plus de 40 dB. De plus, comme l’état qui a été stabilisé pré-existe dans le système, l'énergie à fournir pour le stabiliser est extrêmement faible, en principe un signal supérieur au niveau de bruit est suffisant. Cette propriété, bien connue dans le domaine du contrôle du chaos, est d'un grand avantage pour les sources sur accélérateur où les systèmes d'accélération sont des systèmes de haute puissance difficilement modifiable sur une grande amplitude. Ainsi, il a été mesuré que pour maintenir le paquet d’électrons dans l’état régulier, une modification de seulement 0.3 % de la pente du signal RF vue par les électrons était nécessaire. Ces résultats ouvrent la porte au développement de sources THz cohérentes sur anneaux de stockage en configuration habituelle d'utilisation. Les défis à venir consisteront à étendre le domaine d'efficacité de ce type de contrôle, en particulier pour des charges de paquet plus élevées.
Figure 2 : Signal térahertz (rouge) et de rétro-action (bleu), avant et après l’application de la boucle de rétro-action (à t=0). Sans boucle de rétro-action, l’émission térahertz est sous forme de bouffée, qui sont supprimées lors de l’application de la boucle.