Diapositive 1 - reseau femto
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Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde: des Plasmas au Redressement Optique dans les cristaux Ciro D’Amico1, A. Houard2, B. Prade2, V. T. Tikhonchuk 3, A. Mysyrowicz2, E. Freysz1 1Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne, Université de Bordeaux 1, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France. 2Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS UMR 7639, Palaiseau, 91761 France 3Centre Lasers Intenses et Applications, Université de Bordeaux 1, CEA, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France. PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Technique de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009 La région du spectre électromagnétique dite THz MW Ondes Radio THz 1011 Hz 10cm électronique IR UV Rayons-X Rayons-γ 1013 Hz 1mm ‘Gap’ 10µm 100nm 1nm photonique C. D’Amico, JPU 2009 La région du spectre électromagnétique dite THz MW Ondes Radio THz 1011 Hz 10cm UV Rayons-X Rayons-γ 1013 Hz 1mm ‘Gap’ électronique IR 10µm 100nm 1nm photonique Sources THz pulsées générées par des impulsions laser ultracourtes Opt THz Interaction - Génération de couples électron-trou - Effets non linéaires du 2ème ordre - Effets non linéaires du 3ème ordre - Photo-ionisation et effets ponderomoteurs C. D’Amico, JPU 2009 Méthode de mesure du champ électrique transitoire THz La méthode Electro-Optique THz Sonde optique Cristal EO (χ(2) ≠ 0 ) ZnTe (→ 4 THz) GaP (→ 11 THz) … λ/4 WP I- ε PD1 PD2 I+ε Détection Synchrone C. D’Amico, JPU 2009 PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009 Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs IR GaAs + THz Ej s - Densité de porteurs de charge Champ THz transitoire + C. D’Amico, JPU 2009 Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs IR GaAs + THz j - Densité de porteurs de charge Champ THz transitoire + Champ THz (champ lontain) pour différentes durées de vie des porteurs de charge Δt = 100 fs K. Reinman, ‘Table-top sources of ultrashort THz pulses’, Rep. Prog. Phys. 70, 1597 (2007) C. D’Amico, JPU 2009 PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation Filamentation : Impulsion Canal ionisé Impulsion Bulle de lumière autoguidée autoguidée Vg c t3 t1 t2 filament C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation Filamentation : Impulsion Canal ionisé Impulsion Bulle de lumière autoguidée autoguidée Vg c t3 t1 t2 filament C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation Mécanisme Transition-Cherenkov Filamentation : Impulsion Canal ionisé Impulsion Bulle de lumière autoguidée autoguidée Vg c t3 t1 t2 Filament THz -+ c Z filament Polarisation radiale C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation Mécanisme Transition-Cherenkov Filamentation : Impulsion Canal ionisé Impulsion Bulle de lumière autoguidée autoguidée Vg c t3 t1 t2 Filament THz -+ c Z filament Polarisation radiale densité de courant longitudinal C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation Mécanisme Transition-Cherenkov Filamentation : Impulsion Canal ionisé Impulsion Bulle de lumière autoguidée autoguidée Vg c t3 t1 t2 Filament THz -+ c Z filament Polarisation radiale densité de courant longitudinal C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation Mécanisme Transition-Cherenkov Filamentation : Impulsion Canal ionisé Impulsion Bulle de lumière autoguidée autoguidée Vg c t3 t1 t2 Filament THz -+ c Z filament Polarisation radiale densité de courant longitudinal C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation Mécanisme Transition-Cherenkov Filamentation : Impulsion Canal ionisé Impulsion Bulle de lumière autoguidée autoguidée Vg c t3 t1 t2 Filament THz -+ c Z filament Polarisation radiale densité de courant longitudinal C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation Mécanisme Transition-Cherenkov Filamentation : Impulsion Canal ionisé Impulsion Bulle de lumière autoguidée autoguidée Vg c t3 t1 t2 Filament THz -+ c Z filament Polarisation radiale densité de courant longitudinal C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation (sources de plasma) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov Transition-Cherenkov, efficacité ≈ 10-9 - + c C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 ( 2007) C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, 013015 ( 2008) C. D’Amico, JPU 2009 Sources THz par filamentation (sources de plasma) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov Transition-Cherenkov, efficacité ≈ 10-9 - + c C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 ( 2007) C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, 013015 ( 2008) + - E c + + E - + E Transition-Cherenkov + champ électrique transversale efficacité ≈ 10-8 - 10-7 A. Houard et al., Phys. Rev. Lett. 100, 255006 ( 2008) c Transition-Cherenkov + champ électrique longitudinale efficacité ≈ 10-6 (@ 10 kV) Yi Liu et al., Appl. Phys. Lett. 93, 051108 ( 2008) C. D’Amico, JPU 2009 Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma ω IR BBO ω + 2ω C. D’Amico, JPU 2009 Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma ω IR BBO χ(3) THz ω ω ω + 2ω 2ω - Ω Ω (THz) P(3)(Ω)=ε0χ(3)(Ω=ω+ω-2ω+Ω;-2ω+Ω,ω,ω)E*(2ω-Ω)E(ω)E(ω) (mélange à quatre-ondes, processus non linéaire du 3eme ordre) C. D’Amico, JPU 2009 Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma ω IR BBO χ(3) THz ω ω ω + 2ω 2ω - Ω Ω (THz) P(3)(Ω)=ε0χ(3)(Ω=ω+ω-2ω+Ω;-2ω+Ω,ω,ω)E*(2ω-Ω)E(ω)E(ω) (mélange à quatre-ondes, processus non linéaire du 3eme ordre) C. D’Amico, JPU 2009 PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009 Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz Cristal P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) χ(2) ω ω-Ω Ω (THz) C. D’Amico, JPU 2009 Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz Cristal P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) χ(2) ω ω-Ω Ω (THz) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR C. D’Amico, JPU 2009 Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) THz χ(2) ω ω-Ω Ω (THz) Cristal Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR ) ZnTe IR c VTHz VIR C. D’Amico, JPU 2009 Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) THz χ(2) ω ω-Ω Ω (THz) Cristal Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR ) ZnTe IR VTHz c VIR Cristal: LiNbO3 (n φ,THz ≈ 2ng,IR ) VTHz VIR IR LiNbO3 Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ,THz /ng,IR) ≈ 63° C. D’Amico, JPU 2009 Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR χ(2) P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) THz ω ω-Ω Ω (THz) Cristal Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR ) ZnTe IR VTHz c Technique pour incliner le front d’onde VIR α IR Réseau de diffraction (N traits/mm) Cristal: LiNbO3 (n φ,THz ≈ 2ng,IR ) L LiNbO3 VTHz VIR IR THz LiNbO3 Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ,THz /ng,IR) ≈ 63° C. D’Amico, JPU 2009 Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3 x Front d’onde IR Incliné sans distorsions x Front d’onde IR Incliné avec distorsions α z z Accord de phase C. D’Amico, JPU 2009 Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3 Front d’onde IR Incliné sans distorsions x Front d’onde IR Incliné avec distorsions x α z z Accord de phase Etude théorique: L. Palfalvi et al., Appl. Phys. Lett. 92, 171107 (2008) α IR LiNbO3 G = 0.5 THz N = 1200 l/mm IR N = 2000 l/mm G= 1 LiNbO3 THz Taux de conversion ≈ 7∙10-4 Taux de conversion ≈ 10-2 1 photon (800 nm) → 3.7 photons (1 THz) ! C. D’Amico, JPU 2009 Redressement optique dans les cristaux non linéaires Génération dans le ZnTe, détection dans le ZnTe 1 Amplitude Spectrale (u.a.) Champ Electrique (u.a.) 1,0 0,5 0,0 -0,5 0 1 2 3 4 5 0,1 Taux de conversion 10-5 0,01 1E-3 6 0 1 2 temps (ps) 3 4 5 Fréquence (THz) Génération dans le st-LiNbO3, détection dans le ZnTe 1 Amplitude Spectrale (u.a.) Champ Electrique (u.a.) 1,0 0,5 0,0 -0,5 0,1 Taux de conversion 10-3-10-2 0,01 1E-3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Temps (ps) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Fréquence (THz) C. D’Amico, JPU 2009 PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009 Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Impulsion THz TF Δt, N cristal 2 Fréquences THz Fréquences THz J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) C. D’Amico, JPU 2009 Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Impulsion THz TF Δt, N 2 Fréquences THz cristal Fréquences THz J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Une technique récente (CPMOH) Impulsions THz z Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides Δr, N C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009) C. D’Amico, JPU 2009 Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Impulsion THz TF Δt, N 2 Fréquences THz cristal Fréquences THz J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Une technique récente (CPMOH) Impulsions THz Propagateur de Fresnel z Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides Δr, N Couplage spatio-temporel en champ intermédiaire C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009) C. D’Amico, JPU 2009 Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Impulsions THz Z = 4 cm z R = 4 mm R1 = 2 mm R2 = 4 mm C. D’Amico, JPU 2009 Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz La source se comporte comme une lentille de Fresnel Expérience Théorie C. D’Amico, JPU 2009 PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009 Applications Ondes Radio 10cm MW THz 1mm Vibrations intermoléculaires IR 10µm Vibrations intramoléculaires Rotations moléculaires UV 100nm Rayons-X Rayons-γ 1nm Transitions électroniques C. D’Amico, JPU 2009 Applications Ondes Radio 10cm MW THz 1mm IR 10µm Vibrations intermoléculaires Vibrations intramoléculaires Rotations moléculaires UV 100nm Rayons-X Rayons-γ 1nm Transitions électroniques Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz le cristal β-BaB2O4 (BBO) J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008) C. D’Amico, JPU 2009 Applications Ondes Radio 10cm MW THz 1mm IR UV 10µm Vibrations intermoléculaires 100nm Vibrations intramoléculaires Rotations moléculaires Rayons-X Rayons-γ 1nm Transitions électroniques Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz le cristal β-BaB2O4 (BBO) Originalité par rapport à la Spectroscopie dans le domaine optique Détection en temps réel de l’évolution du champ électrique THz (accès direct à l’amplitude et à la phase des impulsions) J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008) On peut extraire plus d’information que dans le cas optique! C. D’Amico, JPU 2009 CONCLUSIONS 4 techniques pour la génération d’impulsions THz par lasers ultracourts o Les antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs o Plasma: filamentation femtoseconde o Plasma: Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) o Le redressement optique: ZnTe, LiNbO3 (champ THz intense) Technique de mise en forme spectrale e spatiale dans le redressement optique o Mise en forme spatiale du faisceau de pompe (à l’aide d’un masque de phase CL) o Control du couplage Spatio-temporel en champ intermédiaire Application à l’optique THz non linéaire C. D’Amico, JPU 2009 Merci
