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.).