Objectifs globaux, verrous scientifiques/techniques
HEROES a pour objectif de proposer aux futurs utilisateurs de la ligne AILES (spécifiquement conçue pour les investigations spectroscopiques dans les domaines du THz et de l’IRL) du synchrotron SOLEIL l’accès inédit à la très haute résolution en développant deux nouveaux spectromètres dédiés à deux modes de stockages différents.
Une détection hétérodyne spécifique à l’analyse spectrale haute résolution du rayonnement synchrotron dans l’IRL (1 à 5 THz dans ce projet) dans son mode de stockage dit « classique » sera développée. Celle-ci nécessite deux éléments clés : un mélangeur et un oscillateur local. Les bolomètres à électrons chaud (HEB) sont désormais commerciaux et présentent des températures de bruit remarquables.
La solution immédiate consistant à tirer profit d’un laser moléculaire pompé par un laser CO2 ne se révèle pas pertinente du fait d’un spectre discret ne couvrant qu’une petite partie du domaine spectral visé. Pour pallier à ce problème, nous utiliserons un laser moléculaire de nouvelle génération breveté par l’un des partenaires qui offre l’accès à un domaine spectral beaucoup plus dense. La démonstration expérimentale autour de 1 THz devra être étendue à des fréquences plus importantes.
L’un des verrous technologiques réside dans la métrologie de fréquences qui se doit d’être compatible avec les applications de spectroscopie à résolution sub-MHz. La stabilité en fréquence (sur plusieurs échelles de temps), la pureté spectrale, la précision absolue de chaque raie d’émissions seront étudiées en bénéficiant d’un instrument unique développé par l’un des partenaires : il s’agit d’un synthétiseur THz basé sur la technique de photomélange et verrouillé sur un peigne de fréquences. Une dernière difficulté est d’adapter cet ensemble (mélangeur et oscillateurs locaux) à l’environnement du centre de rayonnement synchrotron dans un souci de « convivialité » compatible avec une exploitation en routine par de futurs utilisateurs.
Le 2nd spectromètre développé sera spécifiquement dédié au mode d’émission cohérent du synchrotron (CSR) produisant un rayonnement très intense entre 0,1 et 1,1 THz. Nous avons clairement mis en évidence la nature discrète de ce type de rayonnement formé d’un peigne de fréquence d’une exceptionnelle densité. Cette structure incite naturellement à développer un spectromètre à double peigne de fréquence (Dual Comb THz Spectrometer). Cette technique offre une excellente résolution associée à une très grande vitesse d’analyse ce qui surpasse les possibilités de la spectroscopie à transformée de Fourier, élargissant de fait le champ des applications spectroscopiques. Le défi expérimental consiste à adapter cette technique à un contexte d’analyse spectrale d’un rayonnement synchrotron, c’est à dire à combiner deux peignes de fréquences THz de nature différentes (un laser fs et synchrotron) sur un mélangeur dédié.
Il est important de garder à l’esprit que l’émission THz associée au CSR est produit à partir d’instabilités des paquets d’électrons dont les caractéristiques gouvernent en grande partie ses propriétés. L’origine des émissions est à priori différents suivant les zones spectrales. Des interactions avec les physicien machines doivent nous permettre d’obtenir si nécessaire les bons paramètres pour disposer d’un peigne CSR compatible avec un spectromètre à double peigne de fréquence. En tout état de cause, l’instrument visé donnera une vison claire et inédite des structures spectrales ultimes du CSR sur la totalité de sa couverture spectrale. Il est également nécessaire de disposer d’un laser impulsionnel et d’être en mesure de verrouiller efficacement son taux de répétition à celui du synchrotron. Un développement spécifique sera alors nécessaire pour disposer d’un peigne de fréquence avec un taux de répétition proche de 846 kHz.
