Génération d`impulsions femtosecondes

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
ω
δω
δω
• Domaine temporel
t
t
2π/δω
Schéma de principe d’un laser femtoseconde
Compensation
de la dispersion
de vitesse de
groupe
Mécanisme
de blocage
des modes
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.
Lcav
Milieu
amplificateur
à large bande
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
Rappel : Soliton
Equation de Schrödinger non-linéaire
Cas d’un milieu à dispersion négative :
Solution :
⎛ ∂ ik 0′′ ∂ 2 ⎞
2
⎟
⎜⎜ +
A
(
z
,
t
)
=
i
γ
A
(
z
,
t
)
A( z , t )
2 ⎟
⎝ ∂z 2 ∂t ⎠
∂u ⎛ 1 ∂ 2 u
2 ⎞
= i ⎜⎜
+ u u ⎟⎟
2
∂z
⎝ 2 ∂t
⎠
exp( iz / 2 )
u( z, t ) =
cosh t
Propagation sans déformation :
compensation entre effet Kerr et
dispersion de vitesse de groupe.
John Scott Russell (1834)
http://www.ma.hw.ac.uk/solitons/press.html
Principe d’un oscillateur femtoseconde
Comp.
Blocage
Ampli
Contribution de la
phase non-linéaire
ϕ
ω
ω
Principe d’un oscillateur femtoseconde
Sur-compensation
de la dispersion
de vitesse de
groupe
Mécanisme
de blocage
des modes
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)
Lcav
Milieu
amplificateur
à large bande
Source
d’énergie
Peigne de fréquences
Peigne d'impulsions
T
TF
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 + n2 I
φ ( t , z ) = φ ( t ,0) + n0
ω0
c
z + n2
ω0
c
t
zI ( t , z − vt )
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 !
structurée
o
r
c
i
m
e
r
b
i
F
nnelle
o
i
t
n
e
v
n
o
c
Fibre
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
λ>cτ
Longueur d'onde
10 µm
1 µm
100 nm
M
Lasers
le
c
y
oc
on
fra
n
i
s
s
ge
u
ro
OPO, APO
Harmoniques
dans les gaz
10 nm
Emission
incohérente dans
les plasmas
1 nm
100 pm
10 pm
1 fs
Emission cohérente de
rayons X
10 fs
100 fs
Durée de
l'impulsion
1 ps
10 ps
Différence de fréquences et
amplification paramétrique
P ( 2 ) (t ) = χ ( 2 )ε P (t )ε S* (t ) → ε I (t )
S ig n a l
hω P = hω S + hω I
C o m p lé m e n ta ire (id le r)
Pom pe
faisceau
s ig n a lest
LLe
e fa
is c e a u signal
e s amplifié
t a m lifié !.
Photo B.M. Industries
Amplificateur paramétrique optique
10%
laser Hurricane
Spectra Physics
100fs @ 800 nm
0.9 mJ
1 kHz
2%
Saphir
Pompe :
1er étage
Pompe :
2ème étage
BBO
continuum
Calcite
Signal +
complémentaire
(200 µJ)
Accord de phase
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
IR
IR
GaSe
Ge
longueur d'onde [μm]
Sortie de l’OPA
Délai τ
Energie IR [μJ]
5
14 10 8 7 6
5
4
4
3
η=25%
2
1
0
20
30
40
50
60
70
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
80
Source infrarouge accordable
λ0 = 4.4 µm
ν0 = 67.5 THz
λ0 = 5.0 µm
ν0 = 60.1 THz
λ0 = 6.1 µm
ν0 = 49.5 THz
λ0 = 7.6 µm
ν0 = 39.3 THz
λ0 = 10.3 µm
ν0 = 29.1 THz
Autocorrélation du
champ électrique
C. Ventalon et al. (LOB)
λ0 = 13.2 µm
ν0 = 22.7THz
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
Délai [ps]
0,2
0,4
0,6
0,8
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
Milieu
non-linéaire
Impulsion
visible de 12 fs
( 2)
( 2)
• Redressement optique : P (t ) = ε 0 χ E0 (t )
2
P(t)
E0(t)
t
∂ 2 E n2 ∂ 2 E
∂ 2 P ( 2 ) (t )
• Propagation :
−
= μ0
∂t 2
∂z 2 c 2 ∂t 2
Impulsions infrarouges
nL ∂P ( 2)
E (t ) = −
2ε 0 c ∂t
A. Bonvalet et al., Appl. Phys. Lett., 67, 2907 (1995)
Emission infrarouge par redressement optique
Fréquence [THz]
50 40 30
20
1.5
Inténsité spectrale
Autocorrelation
2
1
0.5
0
-400 -200
0
200
Retard [fs]
400
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
λ>cτ
Longueur d'onde
10 µm
1 µm
100 nm
M
Lasers
e
ycl
c
o
on
fra
n
i
s
s
ge
u
ro
OPO, APO
Harmoniques
dans les gaz
10 nm
Emission
incohérente dans
les plasmas
1 nm
100 pm
10 pm
1 fs
Emission cohérente de
rayons X
10 fs
100 fs
Durée de
l'impulsion
1 ps
10 ps
Energie
Génération d’harmoniques d’ordres élevés
3ω0
5ω0
ω
Modèle semi-classique
V (r, t ) = VCoul (r ) + exE (t )
+
Æ 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 (ω q +1 ) − ϕ (ω q −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.).