RésuméLa diffraction et la diffusion de rayons X sont utilisées dans de nombreux domaines de la physique, de la médecine et de la technologie. Des faisceaux de haute brillance sont néanmoins requis pour améliorer les performances de ces techniques. L’utilisation de la diffusion Compton d’un laser sur un faisceau d’électrons présente un grand intérêt pour la production de rayons X. Ce processus permet l’emploi d’un anneau de stockage d’électrons compacts et d’un résonateur optique pour accroître la puissance laser. Avec un tel système, un taux de collision laser-électron supérieur au méga Hertz est envisageable permettant d’atteindre un flux de rayons X de l’ordre de 10¹³ photons/s. Dans le premier chapitre, je décris les motivations pour le développement d’une source de rayons X basée sur la diffusion Compton et utilisant un résonateur optique. Je détermine aussi les performances que l’on peut attendre de ce type de sources ainsi que l’état de l’art actuel dans ce domaine. Dans le deuxième chapitre, je décris le comportement et les propriétés des résonateurs optiques en régime impulsionnel. J’introduis la notion de phase CEP (‘carrier envelope phase’) et je montre la nécessité de contrôler à la fois la fréquence de répétition de l’oscillateur laser et cette phase CEP. Le chapitre 3 est consacré aux oscillateurs fibrés à blocage de mode. Je montre les performances du laser que j’ai construit en utilisant le phénomène de rotation de polarisation non-linéaire.La méthode d’asservissement laser-résonateur optique ‘tilt locking’ est introduite au chapitre 4. Je décris tout d’abord les études de simulations et le montage expérimental qui ont permis de tester la méthode en régime impulsionnel. Je donne ensuite les résultats expérimentaux qui démontrent la faisabilité de la méthode ‘tilt locking’ en régime impulsionnel. J’effectue aussi une comparaison expérimentale des performances de la méthode ‘tilt locking’ avec la méthode classique ‘Pound-Drever-Hall’. Je termine le chapitre en indiquant une difficulté expérimentale de la méthode pour générer plusieurs signaux d’erreurs.Je décris la conception du système optique de la machine Compton TTX de l’université Tsinghua dans le chapitre 5. Les performances attendues pour cette machine sont des flux de rayons X compris entre 10¹º et 10¹³ photons/s. / X-ray diffraction and scattering, X-ray spectroscopy, and X-ray crystallography are widely used in the life sciences, material science, and medical diagnosis. High-quality and high-brightness X-rays are a strong requirement to improve applications. Inverse Compton scattering (ICS) X-ray source has attracted great interests worldwide lately. To significantly enhance the average X-ray photon flux, a compact electron storage-ring combined with a high finesse optical enhancement cavity (OEC) can be utilized. In such a system, the collision rate between the electron beam and the laser pulse is greatly increased to the MHz range, enabling a photon flux up to 10¹³ph/s.In the first chapter, I describe the motivation behind the development of OEC based on ICS X-ray source. The characteristics of this kind of X-ray source are summarized, compared to those of the conventional low-repetition-rate Terawatt laser system based on ICS X-ray source. The latest progress and research status of OEC based on ICS X-ray source are presented. Pulsed-laser injected high-finesse OEC stacking theory and properties are discussed in Chapter 2. Not only does the OEC based on ICS X-ray source require the laser pulse repetition rate to be matched to the free spectral range (FSR) of the cavity, where both also have to match the electron storage-ring circulation frequency. In addition, we have to match the phase shift of the laser repetition rate to the phase offset introduced by the dispersion of the cavity mirrors, since our cavity finesse design value is quite high. The stacking theory is analyzed in the frequency domain. Cavity properties, including cavity mirror dispersion, finesse, and FSR, are discussed in detail. A laser frequency comb and OEC coupling is analyzed also. The laser source development is presented in Chapter 3. We constructed a mode-locked fiber laser based on nonlinear polarization rotation. The locking model, locking techniques, and the theory, simulations and experimental tests of tilt locking (TL) in the pulsed laser injected high-finesse OEC are discussed in Chapter 4. We succeeded in locking a pulsed laser to a high-finesse cavity with the TL technique. The experimental results show that the TL and the Pound–Drever–Hall techniques have the same performance: stable locking, high sensitivity, and the same power coupling rate for picosecond laser pulse case, while the test results for full spectrum TL locking show that it is uneasy to align the split-photodiode to the beam waist.Based on the above experimental study and tests, we design the OEC system for Tsinghua University X-ray project in Chapter 5. The expected X-ray flux is 10¹º to 10¹³ ph/s. We detail every subsystem requirement.

Ce document présente mon travail sur la dynamique transverse et longitudinale non linéaire d'un faisceau d'électrons dans ThomX, une nouvelle source de rayons X basée sur la rétrodiffusion Compton. Au cours de ce travail j'ai développé un code de simulation contenant les modèles théoriques pour calculer la dynamique non linéaire transverse et longitudinale sous l'influence de rétrodiffusion Compton. Les processus étudiés incluent les effets collectifs tels que la force de charge d'espace longitudinale, les effets de la résistivité des parois, le rayonnement synchrotron cohérent et la diffusion interne au faisceau. J'ai aussi simulé un algorithme de boucle de rétroaction longitudinale et étudié l'effet de la latence de la boucle dans les simulations pour comprendre son effet sur la dynamique du faisceau. Ce code permet d'effectuer une simulation complète en 6 dimensions de la dynamique d'un faisceau dans un anneau sous l'effet de rétrodiffusion Compton en prenant en compte la stabilisation par boucle de rétroaction pour les 400 000 tours (~ 20ms) d'un cycle d'injection. L'une des fonctionnalités importantes de ce code est qu'il peut être exécuté sur une ferme d'ordinateurs. En utilisant ce code j'ai étudié la dynamique des électrons dans ThomX et le flux de photons Compton diffusés. J'ai analysé la contribution relative de chaque phénomène physique à la dynamique globale du faisceau et comment minimiser leurs effets disruptifs. Dans le cadre de mon travail sur la boucle de rétroaction sur la phase longitudinale j'ai aussi mesuré et analysé les propriétés de la cavité RF ELETTRA à utiliser sur ThomX. / This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback’s delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.