vendredi 19 décembre 2014

LES LASERS FEMTOSECONDES

Qu'est-ce qu'une femtoseconde ?

Une femtoseconde (fs) est un millionième de milliardième de seconde (1 fs = 10-15 s).
En 1 s la lumière parcourt une distance proche de la distance terre-lune alors qu'en 100 fs elle parcourt l'épaisseur d'un cheveu.


Qu'est-ce qu'un laser ?

Un laser est un dispositif qui produit un rayonnement lumineux très bien contrôlé grâce au mécanisme d'émission stimulée

Qu'est-ce qu'un laser femtoseconde ?

A l'inverse d'un laser conventionnel, qui produit habituellement un rayonnement continu, le laser femtoseconde produit des flashs très brefs de lumière qu'on appelle impulsions. Chaque impulsion dure de quelques fs à 100 fs.

Mais au fait, qu'est-ce que la lumière ?

La lumière est une onde qui se déplace de la même façon qu'une onde créée sur la surface de l'eau par la chute d'un caillou. La nature ondulatoire de la lumière a été reconnue dès le 17ème siècle (historique). Depuis le 19ème siècle, on sait que la lumière est constituée d'un champ électrique oscillant de façon sinusoïdale qui se déplace à la vitesse de la lumière c : 300 000 km/s. Pour comparaison, le son est aussi une onde qui se déplace mais la grandeur qui oscille est la pression dans l'air ce qui implique que, à l'inverse de la lumière, le son ne peut pas se propager dans le vide.
La période T de l'onde détermine la fréquence n=1/T, de la lumière, c'est-à-dire sa couleur. La longueur d'onde de la lumière, définie par la distance parcourue par la lumière en une période, est aussi souvent utilisée et est reliée à la fréquence par : l=c/n.

Pour avoir des impulsions brèves, il faut une bande de fréquences large 
Quand on superpose plusieurs ondes avec différentes fréquences, à certains instants les ondes s'additionnent et elles s'annulent avant et après. Plus on rajoute de fréquences différentes (plus le spectre de fréquences est large), plus on obtient des impulsions brèves. Ainsi on obtient une onde avec seulement quelques oscillations au lieu d'un nombre infini d'oscillations comme dans le cas d'un laser continu.
Inversement, le nombre d'oscillations dans une impulsion étant très faible (voir image ci-contre), on ne peut pas définir la période et la fréquence avec précision. Ceci donne un certain nombre de fréquences autour d'une fréquence centrale n0. Ceci est tout à fait analogue du fait qu'il est difficile de percevoir la hauteur du son produit par un instrument à percussion (particulièrement dans les graves, comme pour une grosse caisse).

PROPAGATION ET MANIPULATION D'IMPULSIONS FEMTOSECONDES

Une impulsion courte le reste-t-elle? 

Dans le vide, les différentes fréquences qui constituent une impulsion brève avancent à la même vitesse. Dans un matériau transparent, la lumière n'est pas absorbée mais sa vitesse est ralentie. Le rapport entre la vitesse de la lumière dans le matériau, s, et sa vitesse dans le vide, c, est appelé indice de réfraction : n=c/s. L'indice de réfraction du matériau dépend généralement de la fréquence n. Il faut donc écrire n(n) =c/s(n) Comme les différentes fréquences constituant une impulsion avancent à des vitesses différentes, l'impulsion s'allonge.
Quand les différentes fréquences n'arrivent pas simultanément, on dit que l'impulsion présente un glissement de fréquence (" chirp " en anglais c'est-à-dire gazouillis ; le gazouillis des oiseaux présentant également un glissement de fréquence).

Comment combattre cet allongement des impulsions ?

Pour compenser cet allongement des impulsions dans les matériaux optiques, on utilise différentes astuces pour faire parcourir aux fréquences qui sont en avance des trajets plus longs qu'aux fréquences qui sont en retard. Deux possibilités sont illustrées ci-dessous, la ligne de prismes et la ligne de réseaux.

Dans certains cas, il peut être intéressant de disposer d'impulsions dont les différentes fréquences arrivent dans un ordre particulier. Des lignes de prismes et de réseaux ainsi que des dispositifs plus complexes peuvent être utilisés pour engendrer ce type d'impulsions. On parle alors de façonnage d'impulsions.

A QUOI SERVENT LES LASERS FEMTOSECONDES ?

- Pouvoir observer des phénomènes très rapides(comme la dissociation d'une liaison chimique entre deux atomes)
Quand on photographie quelqu'un qui bouge rapidement, la photo est floue. Toutes les positions successives apparaissent sur la photo sans que l'on sache dans quel ordre elles ont été adoptées. Si, en revanche, on dispose d'un obturateur très rapide, on peut faire une série de photographies et ainsi décomposer le mouvement. C'est ainsi que, grâce à la chronophotographie utilisant des appareils photographiques avec obturateur rapide, des mouvements comme le galop du cheval peuvent être décomposés.

Les impulsions femtosecondes jouent le rôle de l'obturateur rapide à une échelle de temps 109 à 1010 fois plus brève. On envoie ces flashs ultra-brefs de lumière pour sonder les propriétés optiques de la matière (transmission, réflexion, …) à l'instant précis de l'arrivée de l'impulsion femtoseconde. Quand on veut observer, par exemple, un grand nombre de molécules, il faut qu'elles se trouvent toutes dans le même état sinon on aura un effet de moyenne (de flou). Pour synchroniser toutes les molécules, on utilise une impulsion plus intense, appellée pompe, qui déclenche le processus physique qu'on veut étudier. Ensuite on fait arriver l'impulsion sonde à différents instants après le déclenchement du processus. Ces différents retards de la sonde par rapport à la pompe sont obtenus en faisant varier la longueur du chemin optique de la sonde. Comme la vitesse de la lumière vaut 300000 km/s, en faisant parcourir à la sonde 30 µm de plus, elle arrivera 100 fs plus tard. En lui faisant parcourir 3 m de plus, elle arrivera 10 ns plus tard. Ce type d'expérience est appelé expérience pompe-sonde.




- Concentrer beaucoup d'énergie en très peu de temps
Utiliser des effets d'optique non-linéaire (changement de longueur d'onde)

Dans la plupart des effets optiques de la vie quotidienne, nous nous situons dans le domaine de l'optique linéaire. L'intensité de la lumière transmise ou réflechie par un matériau est ainsi proportionnelle à l'intensité incidente. Si, par exemple, on double l'intensité incidente, l'intensité transmise est également doublée. Lorsqu'on dispose de très fortes concentrations d'énergie dans le temps, comme c'est le cas avec les lasers femtosecondes, concentrations que l'on peut accroître en utilisant des lentilles qui concentrent l'énergie dans l'espace, cette proportionnalité n'est plus respectée. 

On peut introduire l'optique non-linéaire de la façon suivante : 

L'interaction entre la lumière et la matière est fondée sur le fait que ce champ électrique agit sur les électrons de la matière et provoque leur déplacement. L'oscillation du champ électrique de la lumière induit une oscillation des électrons qui, à son tour, résulte en une émission de lumière. On peut imaginer les électrons de la matière et leur mouvement sous l'action du champ électrique comme un ressort qu'on peut tendre de plus en plus au fur et à mesure que l'on applique une force croissante. Pour de faibles forces, l'élongation du ressort est proportionnelle à la force appliquée. Au-delà, en revanche, on ne double plus l'élongation en doublant la force. De même, pour de la lumière intense, c'est-à-dire pour de fortes valeurs du champ électrique qui deviennent non négligeables par rapport aux champs régnant dans la matière, le déplacement des électrons de la matière n'est plus doublé lorsque le champ électrique est doublé. L'oscillation des électrons sous l'action du champ électrique de la lumière sera alors une sinusoïde déformée.


Une sinusoïde déformée peut être décrite comme la somme de sinusoïdes aux fréquences n, 2n, 3n, où n est la fréquence de la lumière incidente. On peut ainsi obtenir ce que l'on appelle doublage de fréquence ou génération de second harmonique (apparition d'une onde à 2n), triplement de fréquence (apparition d'une onde à 3n), voire même de la création d'harmoniques d'ordre élevé (100n et plus) en utilisant des impulsions très intenses.

Ces processus peuvent également être interprétés dans le cadre de la théorie corpusculaire de la lumière, où une onde de fréquence est représentée par un ensemble de particules, d'énergie hn, appelées photons (h est la constante de Planck). Ainsi le doublage de fréquence correspondra à la fusion de deux photons d'énergie hn pour former un nouveau photon d'énergie 2hn, et donc de fréquence 2n . De même, on peut imaginer de fusionner deux photons de fréquences n1 et n2 pour former un photon de fréquence n1n2 : c'est la somme de fréquences. L'interaction des faisceaux de fréquences n1 et n2 (où n1>n2) peut également déclencher la fission des photons d'énergie hn1 (appelés photons pompe) pour produire des photons supplémentaires à n2, et créer également des photons dits complémentaires à la fréquence n3n1n2 . On parle alors d'amplification paramétrique puisque le faisceau de fréquence n2, appelé signal, est amplifié. Ce processus est également appelé différence de fréquences entre n1 et n2 (surtout quand les deux faisceaux sont d'intensité comparable). Le processus de fission de photons peut avoir lieu en l'absence de faisceau à fréquence n2 ; on parle alors d'amplification paramétrique spontanée.

( source : reseau-femto.cnrs )

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