Un onduleur est un dispositif d'insertion issu de la physique des hautes énergies et faisant généralement partie d'une installation plus importante, un anneau de stockage synchrotron. Il est constitué d'une structure périodique d'aimants dipolaires. Un champ magnétique statique alterne sur la longueur de l'onduleur avec une longueur d'onde λ u {\displaystyle \lambda _{u}}
. Les électrons qui traversent la structure périodique de l'aimant sont contraints de subir des oscillations. Ainsi, les électrons dégagent de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Le rayonnement produit dans un onduleur est très intense et concentré dans des bandes d'énergie étroites du spectre. Le faisceau lumineux est également collimaté sur le plan orbital des électrons. Ce rayonnement est guidé à travers les lignes de faisceaux pour des expériences dans divers domaines scientifiques.
L'important paramètre sans dimension
K = e B λ u 2 π β m e c {\displaystyle K={\frac {eB\lambda _{u}}{2\pi \beta m_{e}c}}}
où e est la charge de la particule, B est le champ magnétique, β = v / c {\displaystyle \beta =v/c}
, m e {\displaystyle m_{e}}
est la masse au repos de l'électron et c est la vitesse de la lumière, caractérise la nature du mouvement de l'électron. Pour K ≪ 1 {\displaystyle K\ll 1}
l'amplitude d'oscillation du mouvement est faible et le rayonnement présente des motifs d'interférence qui conduisent à des bandes d'énergie étroites. Pour K ≫ 1 {\displaystyle K\gg 1}
, l'amplitude d'oscillation est plus grande et les contributions de rayonnement de chaque période de champ s'additionnent indépendamment, ce qui conduit à un large spectre d'énergie. Lorsque K est beaucoup plus grand que 1, l'appareil n'est plus appelé un ondulateur, mais un gigleur.
Les physiciens pensent aux onduleurs en utilisant à la fois la physique classique et la relativité. Cela signifie que, bien que le calcul de précision soit fastidieux, l'onduleur peut être considéré comme une boîte noire. Un électron entre dans cette boîte et une impulsion électromagnétique sort par une petite fente de sortie. La fente doit être suffisamment petite pour que seul le cône principal passe, de sorte que les lobes latéraux puissent être ignorés.
Les onduleurs peuvent fournir des centaines de fois plus de flux magnétique qu'un simple aimant de flexion et sont donc très demandés dans les installations de rayonnement synchrotron. Pour un onduleur qui se répète N fois (N périodes), la luminosité peut être jusqu'à N 2 {\displaystyle N^{2}}
de plus qu'un aimant de flexion. L'intensité est augmentée jusqu'à un facteur N aux longueurs d'onde harmoniques en raison de l'interférence constructive des champs émis pendant les N périodes de rayonnement. L'impulsion habituelle est une onde sinusoïdale avec une certaine enveloppe. Le second facteur de N provient de la réduction de l'angle d'émission associé à ces harmoniques, qui est réduit proportionnellement à 1/N. Lorsque les électrons arrivent avec la moitié de la période, ils interfèrent de manière destructrice. Ainsi, l'onduleur reste dans l'obscurité. Il en va de même si les électrons viennent en chaîne. Comme le faisceau d'électrons s'étale au fur et à mesure qu'il se déplace dans le synchrotron, les physiciens veulent concevoir de nouvelles machines qui rejettent les faisceaux d'électrons avant qu'ils n'aient eu le temps de s'étaler. Ce changement permettra de produire un rayonnement synchrotron plus utile.
La polarisation du rayonnement émis peut être contrôlée en utilisant des aimants permanents pour induire différentes trajectoires périodiques des électrons à travers l'onduleur. Si les oscillations sont confinées à un plan, le rayonnement sera polarisé de manière linéaire. Si la trajectoire des oscillations est hélicoïdale, le rayonnement sera polarisé circulairement, la maniabilité étant déterminée par l'hélice.
Si les électrons suivent la distribution de Poisson, une interférence partielle entraîne une augmentation linéaire de l'intensité. Dans le laser à électrons libres, l'intensité augmente de manière exponentielle avec le nombre d'électrons.
Les physiciens mesurent l'efficacité d'un onduleur en termes de radiance spectrale.
