Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de mar/avr/mai 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 56

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'amplification d'impulsions laser par dérive de fréquence.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Les impulsions ultracourtes Pascal Salières (pascal.salieres@cea.fr) et Fabien Quéré Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers (CEA/CNRS/Université Paris-Saclay) CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex La compréhension des processus intervenant au cœur de la matière, à l’échelle atomique, est devenue fondamentale dans notre société basée sur la haute technologie, car elle ouvre la porte à leur contrôle. Lorsqu’on considère des systèmes de plus en plus petits, les temps caractéristiques des mouvements deviennent de plus en plus courts et requièrent des techniques d’observation de plus en plus rapides, tels que des flashs de lumière ultrabrefs capables de « photographier » l’état transitoire du système sans flou artistique. C’est ainsi que l’invention des lasers femtoseconde dans les années 1980 a permis l’observation des vibrations moléculaires  : la femtoseconde est précisément l’échelle caractéristique du mouvement des atomes dans les molécules. L’importance des développements de la « femtochimie » a valu le Prix Nobel à AhmedZewail en 1999 [19]. Franchir une nouvelle étape dans l’exploration de la matière, c’est aller observer les mouvements des électrons dans les atomes, les molécules ou les solides, qui se déroulent à une échelle de temps encore plus extrême  : l’attoseconde (as) [20]. Comment produire des flashs de lumière d’une telle brièveté ? Le lien de transformée de Fourier existant entre temps et fréquences nous enseigne qu’il faut pour cela un très large spectre s’étendant dans l’extrême ultraviolet (UVX) et dont les différentes fréquences soient toutes en phase, donc un rayonnement UVX cohérent de très large bande [21]. Une solution pour obtenir un tel rayonnement a été identifiée dans les années 1990  : il s’agit d’induire un élargissement considérable du spectre d’une impulsion laser en utilisant des effets optiques fortement non linéaires, plus précisément en générant tout un ensemble d’harmoniques d’ordre très élevé de la fréquence laser. Comme ces harmoniques conservent en grande partie la cohérence du laser fondamental, les conditions de Fourier sont alors réunies. Les premières expériences de ce type ont 22 Reflets de la Physique n°61 Divergence [mrad] Intensité (u. arb.) 2 0 -2 72,7 61,5 53,3 700 600 500 400 300 200 100 0 -2 47,1 38,1 29,6 22,9 Longueur d’onde [nm], 266 as Mil 17.0 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 Temps (fs) III.3. Émission de flashs attosecondes de rayonnement UVX. (a) Spectre des harmoniques 11 à 47 générées en focalisant un laser Ti  : Sa à un éclairement de 2 10 14 W cm -2 dans un gaz d’argon sur l’installation ATTOLab [28]. (b) Train d’impulsions de 266 as correspondant à la gamme spectrale couvrant les harmoniques 13 à 23. Énergie du photoélectron (eV) 35,2 35,4 35,6 35,8 36,0 36,2 -10 -5 0 0 0,5 1 5 10 15 20 Temps d’accumulation (fs) III.4. Évolution temporelle du spectre d’énergie des électrons émis après excitation d’un atome d’hélium avec des impulsions de 266 as centrées à 60 eV. Un profil dissymétrique apparait environ 5 fs après l’absorption des photons UVX. Ce profil résulte de l’interférence entre deux voies possibles d’éjection de l’électron, l’une directe, l’autre passant par un piégeage transitoire dans un état excité (résonance 2s2p de durée de vie 17 fs). On observe ici directement en temps un phénomène prédit théoriquement en 1961 par le physicien italien Ugo Fano.
utilisé des lasers à impulsions « longues » (30 ps) [22], mais c’est la technique CPA qui a permis d’obtenir des impulsions laser suffisamment brèves (fs) et intenses pour à la fois générer des ordres harmoniques très élevés (plusieurs centaines), et confiner l’émission à une impulsion attoseconde isolée. C’est ainsi que les impulsions les plus brèves à l’heure actuelle ont pu être générées (43 as à l’ETH Zurich en 2017). Deux processus physiques distincts de génération d’harmoniques élevées ont été démontrés à ce jour, dans des gammes d’intensité très différentes. La génération d’harmoniques dans les gaz atomiques et moléculaires intervient lorsqu’on focalise des impulsions laser à des éclairements dans la gamme 10 14 - 10 15 W cm -2 [23]. Lorsque le champ laser oscillant atteint un maximum, il peut arracher par effet tunnel des électrons et les réaccélérer vers leurs ions parents une demi-période plus tard quand il change de signe ; cette « recollision » peut donner lieu à une recombinaison radiative de l’électron avec son ion parent, résultant en l’émission de flashs attosecondes de rayonnement UVX [21] (fig. III.3). La génération d’harmoniques dans les plasmas met quant à elle en jeu des intensités laser allant de 10 16 W cm -2 jusqu’aux intensités les plus élevées (estimées à 10 22 W cm -2) disponibles à ce jour grâce à la technique CPA. Différents mécanismes peuvent donner lieu à cette génération [24]. Aux intensités les plus élevées, la surface réfléchissante du plasma créé par le champ laser à la surface d’une cible solide – appelée miroir plasma – oscille à vitesse relativiste sous l’effet du champ laser ultra-intense. Ce miroir oscillant relativiste induit un effet Doppler périodique sur le faisceau laser réfléchi, L’ultra-haute intensité Philippe Zeitoun (philippe.zeitoun@ensta-paristech.fr) Laboratoire d’Optique Appliquée (CNRS/ENSTA-ParisTech/École polytechnique), 91762 Palaiseau Cedex Depuis la fin des années 1990, les lasers intenses et ultra-brefs ont permis de réaliser des progrès fulgurants sur l’accélération de particules par laser et de générer des sources secondaires d’électrons, de protons et également de rayonnement X et g. Bien qu’il soit délicat de donner une limite au régime d’ultra-haute intensité, il est communément admis que celle-ci correspond au régime relativiste, c’est-à-dire à des intensités suffisantes pour accélérer des électrons à des énergies relativistes, donc avec une énergie cinétique, Ec, au moins équivalente à leur énergie au repos (E m = 512 keV). Cette limite se situe vers 10 18 W cm -2 (fig. III.5) et n’a pu être atteinte dans les années 1990 que grâce à la technique du CPA. La course aux intensités extrêmes a vu la construction des très grands lasers ultra-brefs comme HERCULES aux États-Unis (a), KAIST en Corée, auxquels vont s’ajouter les projets de laser 10 PW lancés par Gérard Mourou  : APOLLON en France et les trois piliers de ELI (Extreme Light Infrastructure), en Hongrie (dédié à la génération d’impulsions attosecondes), en République tchèque (dédié à la génération de sources secondaires) et en Roumanie (dédié à la physique nucléaire), jusqu’au projet SEL de laser 100 PW en Chine (fig. III.5). Historiquement, l’accélération d’électrons par laser a été proposée par Toshiski Tajima et John M. Dawson en 1979 [29] et a débuté avec de faibles accélérations en produisant des électrons de 9 MeV [30]. Un plasma est produit par l’interaction d’un laser ultra-intense avec un gaz et, sous l’effet des champs de l’onde laser, une séparation longitudinale des charges se crée (onde de sillage [10]), produisant un champ électrique très intense pouvant atteindre plusieurs dizaines de GV m -1 et se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, dans lequel les électrons peuvent être accélérés très fortement. Avancées de la recherche qui comprime temporellement certaines parties du champ laser, produisant ainsi des impulsions attosecondes. Depuis les premières mesures en 2001 [24], de nombreuses applications ont été effectuées. Sonder la matière avec des impulsions attosecondes donne par exemple accès aux temps de diffusion des électrons dans les atomes, les molécules ou les solides, comme illustré récemment par l’observation en temps réel de l’émission photo-induite d’électrons par des atomes [26] (fig. III.4) ou des molécules [27]. Les impulsions attosecondes ouvrent la perspective de contrôler les processus à une échelle longtemps inaccessible, depuis la réactivité chimique pour la fabrication de nouvelles molécules jusqu’aux courants dans les nanocircuits pour l’optoélectronique ultrarapide. Aujourd’hui, le record atteint de l’accélération par laser est de 4 GeV avec quelques centimètres de gaz, contre une centaine de mètres pour les meilleurs accélérateurs conventionnels. Différents nouveaux concepts d’accélération laser laissent entrevoir la possibilité d’atteindre 100 GeV, voire le TeV pour des longueurs d’accélération de quelques mètres au lieu de plusieurs dizaines de kilomètres aujourd’hui. Cependant, les faisceaux d’électrons accélérés par laser ont pour l’instant une charge faible (nombre d’électrons dans un paquet), une grande dispersion en énergie et ne sont pas assez stables. Des travaux d’ingénierie doivent être menés pour faire passer cette technique de la démonstration scientifique à un outil pour les physiciens et pour les applications. On atteint le régime ultra-relativiste quand les intensités sont suffisantes pour accélérer les protons (E m ≈ 938 MeV) à des énergies relativistes (fig. III.5). La limite se Reflets de la Physique n°61 23



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