jeudi 16 février 2012

Des flashs de lumière cassent le mur des attosecondes


Depuis l'invention du laser, les impulsions de lumière laser les plus courtes possibles sont passées des impulsions nanosecondes (10-9 s) aux impulsions picosecondes (10-12 s), puis femtosecondes (10-15 s). Le "record du monde" est désormais détenu par des scientifiques du Laboratoire d'optique appliquée (LOA)1, du Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) d'Amsterdam et du Service des photons, atomes et molécules (SPAM) du CEA de Saclay, qui ont montré l'existence d'impulsions de 0,22 femtosecondes, c'est-à-dire 220 attosecondes2.


Le record actuel de durée directement à la sortie d'un laser correspond à des impulsions de 4,5 femtosecondes. Les scientifiques ont ainsi quasiment atteint la limite de l'optique du visible : en effet, dans une impulsion aussi courte, le champ électrique de la lumière visible a le temps d'osciller à peine plus d'une fois. Pour obtenir des impulsions plus courtes, dans le domaine des attosecondes, il faut utiliser un rayonnement qui oscille beaucoup plus vite, c'est-à-dire changer de gamme spectrale et utiliser des rayonnements ultraviolet ou ultraviolet lointain (Extrême UV, EUV ou XUV).
 
Amplificateurs de puissance du laser intense et ultra-court utilisé pour exciter les atomes ("Salle rouge" du Laboratoire d'optique appliquée).

©CNRS, LOA


 Un effet non linéaire existe qui permet de convertir une partie d'un faisceau laser infrarouge en rayonnements EUV : la génération d'harmoniques d'ordre élevé. Schématiquement, les scientifiques utilisent les atomes d'un gaz comme "violons" et un faisceau laser intense comme "archet". Celui-ci excite les atomes, qui émettent alors de la lumière aux fréquences multiples de la fréquence excitatrice, que l'on appelle des harmoniques. En musique, ce sont les octaves supérieures de la note jouée sur le violon. En optique, ce sont des faisceaux de lumière cohérente aux fréquences harmoniques. Si l'on additionne toutes ces ondes, on s'aperçoit que l'émission globale correspond à une série d'impulsions de durée extraordinairement courte (des attosecondes), séparées les unes des autres de 1,5 femtoseconde.
Principe de la création d'impulsions attosecondes : les flashs Extrême Ultra-Violet sont produits lors d'un phénomène de collision entre un électron successivement ionisé puis accéléré par le champ laser intense, et retournant vers son ion parent.

D.R.

 Depuis la découverte expérimentale de ce phénomène il y a douze ans, tous les scientifiques travaillant sur le sujet se doutaient qu'ils créaient des impulsions attosecondes, mais ne disposaient pas de moyen de le démontrer. L'expérience qui vient d'avoir lieu apporte un premier élément de démonstration : elle a montré que les phases des différentes harmoniques ont une dépendance linéaire avec la fréquence. Ceci indique qu'en un point donné de l'espace, il existe un moment où toutes ces ondes sont en phase et le champ résultant très intense. Le temps qu'il faut pour que cet accord disparaisse est l'inverse de la gamme spectrale couverte parles harmoniques. Celle-ci s'étendant jusqu'à une énergie de 30 eV, on en déduit une durée de 220 attosecondes. C'est la première mesure expérimentale d'une impulsion attoseconde, même si la méthode reste indirecte. Par ailleurs, une équipe autrichienne a très récemment fait état de la mesure directe d'une impulsion proche d'une femtoseconde.
( source : cnrs )

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