Lasers femtosecondes : principes et applications en physique, chimie et biologie (3/6) Génération d impulsions femtosecondes du visible à l ensemble du spectre électromagnétique 1. Oscillateurs femtosecondes 2. Amplificateurs femtosecondes 3. Génération de nouvelles longueurs d onde par optique non-linéaire 4. Génération d harmoniques : vers les attosecondes Manuel Joffre http://www.lob.polytechnique.fr/personnel/manuel_joffre/
Superposition de modes longitudinaux Domaine spectral δω δω ω Domaine temporel t t 2π/δω
Schéma de principe d un laser femtoseconde Mécanisme de blocage des modes Compensation de la dispersion de vitesse de groupe Milieu amplificateur à large bande Pour bloquer les modes du laser, il suffit de s'assurer que les pertes soient plus importantes lorsque les modes ne présentent pas la bonne relation de phase : il s'agit de favoriser le fonctionnement impulsionnel. L cav Source d énergie
Laser à colorant Mécanisme de blocage des modes : absorbant saturable 620 nm 0.1 nj 30 fs 100 MHz R6G AS Laser Argon
Laser Titane:Saphir Ti:S 800 nm 2 nj 10 fs 100 MHz Laser Argon Mécanisme de blocage des modes : Autofocalisation par effet Kerr n(r) Ti:S
Laser Titane:Saphir à impulsions ultracourtes 5.4 fs U. Morgner, F. X. Kärtner, S. H. Cho, Y. Chen, H. A. Haus, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, V. Scheurer, G. Angelow, T. Tschudi, Sub-two-cycle pulses from a Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser, Opt. Lett. 24, 411 (1999).
Oscillateurs femtosecondes commerciaux 140 fs, 0.72-0.93 µm 100 fs, 0.7 1.0 µm http://www.coherentinc.com/ 12 fs, 800 nm http://www.spectraphysics.com/ 250 fs, 1.55 µm http://www.femtolasers.com/ http://www.menlosystems.com/
Un autre emploi des oscillateurs femtosecondes: Les peignes de fréquences
Compensation de la dispersion? Comp. Impossible avec la Précision requise! Ampli ϕ ω ω
Equation de Schrödinger non-linéaire Cas d un milieu à dispersion négative : Solution : u( z, t) = exp( iz / 2) cosh t Propagation sans déformation : compensation entre effet Kerr et dispersion de vitesse de groupe. Rappel : Soliton z + z 2 ik 0 2 A( z, t) = iγ A( z, t) A( z, ) 2 2 t t 1 = i 2 u 2 2 u 2 t + u u John Scott Russell (1834) http://www.ma.hw.ac.uk/solitons/press.html
Principe d un oscillateur femtoseconde Comp. ϕ Blocage Ampli Contribution de la phase non-linéaire ω ω
Principe d un oscillateur femtoseconde Sur-compensation de la dispersion de vitesse de groupe Blocage de mode : les non-linéarités optiques s ajustent automatiquement pour compenser exactement la dispersion de vitesse de groupe négative de la cavité (régime soliton) Mécanisme de blocage des modes L cav Milieu amplificateur à large bande Source d énergie
Peigne d'impulsions Peigne de fréquences TF T t Peigne de fréquences 2π/T ω Les effets non-linéaires s ajustent afin de compenser exactement la dispersion résiduelle de la cavité. Equidistance du peigne de l ordre de 10-17 : T. Udem et al., Opt. Lett. 24, 881 (1999).
Une révolution dans la métrologie des fréquences Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996) Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000) Th. Udem, R. Holzwarth et T.W. Hänsch, optical frequency metrology, Nature 416, 233 (2002) C. Chardonnet et A. Amy-Klein, lasers femtosecondes appliqués à la métrologie des fréquences, Systèmes femtosecondes (publications de l université de Saint-Etienne)
2. Amplificateurs femtosecondes
Amplification à dérive de fréquence (CPA) Oscillateur Etireur Ampli Compresseur
Exemples d amplificateurs femtosecondes SpectraPhysics Hurricane 1mJ / 100 fs = 10 GW (@ 1kHz) http://www.spectraphysics.com/
Exemples d amplificateurs femtosecondes CELIA (Bordeaux) V. Bagnoud et F. Salin, Appl. Phys. B70, S165 (2000) 20 mj / 20 fs = 1 TW (@ 1 khz)
Exemples d amplificateurs femtosecondes LOB A. Bonvalet et al. 10 mj / 100 fs = 100 GW (@ 1 khz)
Exemples d amplificateurs femtosecondes Laboratoire d Optique Appliquée (ENSTA Ecole Polytechnique) 1J / 30 fs = 30 TW (@ 10 Hz)
Exemples d amplificateurs femtosecondes Laboratoire Livermore (Etats-Unis) 1 kj / 1 ps = 1 PW
3. Génération de nouvelles longueurs d onde par optique non-linéaire
Génération de continuum spectral ω() t φ = t n = n0 + n2i ω ω φ(, tz) = φ(,) t 0 + 0 n (, ) c z+ n 0 0 2 zi t z vt c t φ(t) t Photo C. Le Blanc (LOA)
Génération de continuum spectral dans des fibres optiques microstructurées Dispersion de vitesse de groupe négative dans le visible! Fibre microstructurée Fibre conventionnelle k" J.K. Ranka, R.S. Windeler, A.J. Stentz Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm Opt. Lett. 25, 25-27 (2000)
Génération de nouvelles longueurs d onde 1 mm 100 µm 10 µm λ>cτ Monocycles infrarouges Longueur d'onde 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm Lasers OPO, APO Harmoniques dans les gaz Emission incohérente dans les plasmas 100 pm Emission cohérente de 10 pm rayons X 1 fs 10 fs 100 fs 1 ps 10 ps Durée de l'impulsion
P (2) ( t) = χ Différence de fréquences et amplification paramétrique (2) ε P ( t) ε * S ( t) ε I ( t) hω = hω + hω P S I Signal Complémentaire (idler) Pompe Le faisceau signal est amplifié! Le faisceau signal est am lifié. Photo B.M. Industries
Amplificateur paramétrique optique 10% laser Hurricane Spectra Physics 100fs @ 800 nm 0.9 mj 1 khz 2% Saphir continuum Pompe : 1er étage BBO Pompe : 2ème étage Signal + complémentaire (200 µj) Accord de phase Calcite C. Ventalon, J.M. Fraser, J.P. Likforman, D.M. Villeneuve, P.B. Corkum, M. Joffre Generation and complete characterization of intense mid-infrared ultrashort pulses J. Opt. Soc. Am. B 23, 332-340 (2006) http://tel.ccsd.cnrs.fr/tel-00008323
Génération d infrarouge moyen (5 15 µm) Principe : différence de fréquences entre signal et complémentaire Accord de phase complémentaire signal GaSe IR Ge IR Sortie de l OPA 5 longueur d'onde [μm] 14 10 8 7 6 5 4 Délai τ Energie IR [μj] 4 3 2 η=25% 1 0 20 30 40 50 60 70 80 Fréquence [THz] C. Ventalon, J.M. Fraser, J.P. Likforman, D.M. Villeneuve, P.B. Corkum, M. Joffre Generation and complete characterization of intense mid-infrared ultrashort pulses J. Opt. Soc. Am. B 23, 332-340 (2006) ; http://tel.ccsd.cnrs.fr/tel-00008323
Source infrarouge accordable λ 0 = 4.4 µm ν 0 = 67.5 THz λ 0 = 5.0 µm ν 0 = 60.1 THz λ 0 = 6.1 µm ν 0 = 49.5 THz λ 0 = 7.6 µm ν 0 = 39.3 THz Autocorrélation du champ électrique λ 0 = 10.3 µm ν 0 = 29.1 THz λ 0 = 13.2 µm ν 0 = 22.7THz C. Ventalon et al. (LOB) -0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Délai [ps]
Amplificateur paramétrique optique non-colinéaire (NOPA) G. Cerullo, M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri Sub-8-fs pulses from an ultrabroadband optical parametric amplifier in the visible Opt. Lett. 23, 1283-1285 (1998).
Génération d impulsions THz D. Grischkowsky et al., J. Opt. Soc. Am. B 10, 2006 (1990)
Emission infrarouge par redressement optique Impulsion visible de 12 fs Milieu non-linéaire Redressement optique : P P(t) E0(t) t (2) (2) ( t) = ε 0χ E0( t ) 2 Propagation : 2 E 2 z n c 2 2 2 E 2 t = μ 0 2 P t (2) 2 ( t) Impulsions infrarouges E( t) = nl 2ε c 0 P t (2) A. Bonvalet et al., Appl. Phys. Lett., 67, 2907 (1995)
Emission infrarouge par redressement optique 2 Fréquence [THz] 50 40 30 20 Autocorrelation 1.5 1 0.5 0-400 -200 0 200 400 Retard [fs] Inténsité spectrale 4 8 12 16 Longueur d'onde [μm] A. Bonvalet et al., Appl. Phys. Lett., 67, 2907 (1995)
Génération d impulsions X femtosecondes A. Rousse, C. Rischel, J.-C. Gauthier, C.R. Acad. Sci. IV, 305 (2000).
4. Génération d harmoniques d ordres élevés : vers les attosecondes 1 mm 100 µm 10 µm λ>cτ Monocycles infrarouges Longueur d'onde 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm Lasers OPO, APO Harmoniques dans les gaz Emission incohérente dans les plasmas 100 pm Emission cohérente de 10 pm rayons X 1 fs 10 fs 100 fs 1 ps 10 ps Durée de l'impulsion
Génération d harmoniques d ordres élevés Energie 3ω 0 5ω 0 ω
Modèle semi-classique V ( r, t) = VCoul ( r) + exe( t) + Génération d un train d impulsions attosecondes (as) P. B. Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993).
RABBITT Caractérisation d un train d impulsions as P.M. Paul et al., Science 292, 1689 (2001) ; Y. Mairesse, http://tel.ccsd.cnrs.fr/tel-00011620
RABBITT Caractérisation d un train d impulsions as ϕ( ωq+ 1) ϕ( ωq 1) P.M. Paul et al., Science 292, 1689 (2001) ; Y. Mairesse, http://tel.ccsd.cnrs.fr/tel-00011620
Conclusion Les oscillateurs femtosecondes et les amplificateurs de basse puissance sont désormais des produits commerciaux utilisés dans une très grande variété d application. La disponibilité d impulsions intenses rend possible la génération de nouvelles longueurs d onde couvrant une fraction considérable du spectre électromagnétique, s étendant de l infrarouge lointain aux rayons X. Les sources ultra-intenses ont ouvert de nouveaux champs de recherche dans le domaine de la physique des hautes intensité (génération d harmoniques, impulsions attosecondes, accélération de particules, allumage rapide pour la fusion contrôlée, etc.).