R & D of a High-Aaverage-Power Fabry-Pérot resonator for Thomson scattering experiments

par Xing Liu

Thèse de doctorat en Physique des accélérateurs

Sous la direction de Fabian Zomer et de Chuanxiang Tang.

Le président du jury était Kexin Liu.

Le jury était composé de Fabian Zomer, Chuanxiang Tang, Kexin Liu, Wenhui Huang, David Ros, Guoxi Pei, Wei Lu.

Les rapporteurs étaient Kexin Liu, Wenhui Huang.

  • Titre traduit

    Développement d'une cavité Fabry-Perot à haute puissance moyenne pour des experiences de diffusion Compton


  • Résumé

    L’imagerie effectuée avec des rayons X est largement utilisée de nos jours dans de nombreuses disciplines telles que la physique du solide, les sciences du vivant et la médecine. Les sources de rayons X basées sur la diffusion Thomson d’un faisceau laser par des paquets d’électrons permettent d’obtenir des faisceaux de bonnes qualités pour un faible coût et un faible encombrement. Plusieurs instituts de recherche académiques se sont récemment lancés dans la construction de telles sources qui sont constituées d’un anneau des stockage d’électrons et d’un résonateur optique. Le résonateur optique permet de stocker des impulsions laser focalisées au point d’interaction laser-électron à des fréquences de plusieurs dizaines de méga Hertz. Des flux de rayons X dépassants 10^{11} ph/s peuvent ainsi être obtenus. Dans ce travail de thèse un modèle de stockage d’impulsion a été développé. Ce modèle prend en compte les effets de la phase CEP (carrier-envelope phase) et des décalages temporels permettant d’obtenir des résonances secondaires. Ces résonances sont observées couramment et nous avons pu calculer les gains et finesses équivalentes. Nous avons aussi calculé les corrections non-paraxiales des modes propres d’une cavité non-planaires. Nous avons résolu les équations perturbatives de Lax pour des faisceaux gaussiens elliptiques généralisés. Nous avons pu ainsi décrire qualitativement des résultats expérimentaux obtenus avec une cavité non-planaire constituée de quatre miroirs. Nous avons aussi modélisé l’effet des déformations thermoélastiques des miroirs de cavité en utilisant le modèle simplifié de Winkler. Sur le plan expérimental, nous avons effectué des études sur le résonateur optique prototype du projet EQUIPEX THOMX. Nous avons tout d’abord proposé une nouvelle méthode d’asservissement laser-cavité basée sur l’utilisation d’une possible différence de phase induite par la réflexion des ondes s et p. Comparée à la méthode de Pound-Drever-Hall, notre méthode ne nécessite pas de modulation et démodulation de fréquence. Nous avons effectué les calculs de modélisation ainsi qu’une démonstration expérimentale. En parallèle, nous avons effectué des expériences de stockage de puissance dans la cavité prototype de finesse 26000 et nous avons obtenu une puissance moyenne de 383 kW correspondant à un gain de 10000. Nous avons atteint un niveau de puissance pour laquelle des instabilités modales induites par les déformations thermoélastiques des miroirs de notre cavité deviennent dominantes et perturbent l’asservissement laser-cavité. Une machine à rayon X Thomson, TTX, existe aussi à l’université de Tsinghua. Celle-ci est basée sur un accélérateur linéaire et une source laser femtoseconde terawatt. Un nouveau projet basé sur un anneau de stockage compact d’électrons, TTX2, voit actuellement le jour à l’université de Tsinghua. Nous présentons le design du système optique de ce futur projet.


  • Résumé

    At present, X-rays imaging is widely applied in solid-state physics, in the life sciences, in medical applications and in other disciplines. An X-ray source based on laser-electron interaction, that is, a Thomson scattering X-ray source, can be used to produce high-quality X-rays at a low cost and small footprint. The construction of compact laser electron sources, consisting of an electron storage ring and an optical enhancement cavity, has recently attracted the interest of many institutions. The optical enhancement cavity is mainly used to amplify the injected power, circulate the pulses at a high repetition frequency (tens of megahertz) and produce a beam with a small waist at the interaction point. When introduced into the electron storage ring, the laser pulses produced in the high-average-power cavity scatter off high-energy electrons at a high repetition frequency. Thus, a high X-ray flux of more than 10^{11} ph/s can be obtained.In order to study the physical process inside a high-power resonator a model has been developed. As a first step, we establish a precise transient model of the laser pulse stacking technique considering the CEP (carrier-envelope phase) effect and time detuning leading to secondary resonances. The results of this model in the time and frequency domains match very well. A cavity with a given finesse and no detuning has a narrower linewidth than a detuned cavity with a higher finesse if both cavities have the same gain; consequently, it is easier to lock a laser to the latter cavity. Next, for the first time, we derived the non-paraxial corrections for general astigmatic beams so as to explain the S-shaped cavity mode observed in a non-planar four-mirror cavity. We solved Lax perturbation series of the wave equation for general elliptic Gaussian beams and S-shaped beam modes appear as the beam propagates away from the cavity symmetry point. This feature agrees qualitatively with observations made on a highly divergent non-planar four-mirror cavity. In addition, we study the thermal effect by using Winkler’s deformation model. The cavity gain is very sensitive to the mirror deformation in open loop. A strong feedback and ultra-low expansion mirrors are indispensable to reach a high power stored in the cavity.Several significant experiments were performed on a prototype cavity of the EQUIPEX project THOMX. Firstly, we proposed a new frequency stabilization method based on the polarization of a folded cavity and tuning of the cavity mirror reflectivity. Sufficient s- and p-wave phase detuning can be obtained by special design of the cavity mirrors’ coatings, which gives rise to an error signal that can be used for locking. Compared to the traditional Pound-Drever-Hall method, this technique is simpler without need for frequency modulation and demodulation. Theoretical calculations and experimental results demonstrate the feasibility of the proposed method. Meanwhile, high-power experiments on the prototype cavity for ThomX were demonstrated. A cavity finesse of approximately 26,000 is measured using four different methods, and the deposition of dust on the cavity mirrors is found to have an enormous effect on the finesse. We achieved a stable average power as high as 383 kW with a cavity gain of 10,000. In addition, modal instabilities which limit this power were observed. We believe that this effect originates from cavity modal frequency degeneracy induced by thermal effect.Tsinghua University hosts a compact, low-repetition-frequency X-ray source knownas TTX, which is based on a linac system and a terawatt femtosecond laser system. The next step is to upgrade TTX to a high-repetition-frequency X-ray machine called TTX2, consisting of an optical cavity and an electron storage ring. We present the complete design of a prototype optical cavity for TTX2.


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