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Laser developments for attosecond physics in semiconducting crystals.

Spécialité

Interaction laser-matière

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/05/2024

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GAUTHIER David
+33 00 00 00 00 00

Résumé/Summary
L’objectif du stage est de modifier et d’optimiser les propriétés d’un laser femtoseconde afin d’étendre les capacités expérimentales du laboratoire sur l’étude des dynamiques attosecondes (1 attoseconde = 10^-18 seconde) lors de l’interaction laser-matière condensée, et notamment les mécanismes fondamentaux de la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans les cristaux semi-conducteurs.
The objective of the internship is to modify and optimize the properties of a femtosecond laser in order to extend the laboratory's experimental capabilities on the study of attosecond (1 attosecond = 10^-18 second) dynamics during laser-matter interaction, and in particular the fundamental mechanisms of the generation of high order harmonics in semiconductor crystals.
Sujet détaillé/Full description
Lors de l’interaction entre des impulsions laser intenses et un cristal, l’excitation des électrons de valence vers les bandes de conduction et leur accélération par le champ laser conduit à l'émission de rayonnement jusqu'à la plage spectrale de l’extrême-UV. C’est la génération d'harmoniques d’ordre élevé dans les cristaux, une extension récente du mécanisme de génération d’harmoniques d’ordre élevé dans les gaz récompensé par le Prix Nobel de Physique 2023. L’analyse de l’émission du rayonnement harmonique sert d’outil pour étudier les mécanismes fondamentaux de l’interaction lumière-matière dans les milieux condensés.

Ce stage se déroulera sur l'installation NanoLight du CEA/LIDYL, équipée notamment d’un système laser par amplification paramétrique optique (OPCPA) intense, délivrant deux types d’impulsions laser de longueurs d’ondes centrales 1800 nanomètres (nm) et 2400 nm, et de durée entre 40 et 60 femtosecondes (fs). Le stage consistera à étendre les propriétés de cet OPCPA, et plus précisément à étudier et implémenter la génération d’impulsion dans l’infrarouge à 3600 nm de longueur d’onde centrale à partir du processus non-linéaire de mélange de fréquences des impulsions à 1800 et 2400 nm. La solution retenue est la génération par différence de fréquences entre le faisceau à 1800 nm et à 1200nm, ce dernier étant obtenu par doublage de la fréquence du faisceau à 2400nm. L’impulsion résultante à 3600 nm devra être ensuite caractérisée temporellement pour vérifier qu’elle conserve une durée temporelle inférieure à 100 fs.

En fonction de l’avancement et de la durée du stage, les développements laser ainsi réalisés seront utilisés par le candidat pour étudier la génération d’harmoniques d’ordre élevé. Il s’agit notamment d’utiliser les impulsions à 3600 nm pour étudier l’anisotropie d’émission harmonique dans des échantillons d’arséniure de galium et de germanium [1].

Le candidat devra avoir une bonne connaissance en optique non-linéaire et en optique ultra-rapide. Le stage se fera dans l’équipe Ultrafast NanoLight du groupe DICO (2 chercheurs permanents, 3 étudiants en thèse et 1-2 post-doctorants). Le candidat interagira fortement avec les membres de l’équipe pour assurer le bon déroulement du stage.

[1] https://iramis.cea.fr/LIDYL/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=3549
Mots clés/Keywords
Laser, Génération d'harmoniques d'ordre élevé
Laser, High-order harmonic generation
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Proof of Concept of in operando H2O2 analysis using flash photolysis

Spécialité

Interaction laser-matière

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

06/05/2024

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BALDACCHINO Gérard
+33 1 69 08 57 02

Résumé/Summary
Le stage permettra d'adapter le processus de photolyse éclair de H2O2 à sa mesure in operando sous rayonnement ionisant. Pour la preuve de concept, il faudra déterminer le meilleur système chimique et le protocole pour analyser la teneur d'H2O2 formé au cours de la radiolyse de l'eau avec des ions lourds.
The internship will make it possible to adapt the process of flash photolysis of H2O2 to its measurement in operando under ionizing radiation. For the proof of concept, it will be necessary to determine the best chemical system and the protocol to analyze the concentration of H2O2 formed during the radiolysis of water with heavy ions.
Sujet détaillé/Full description
En chimie sous rayonnement, la formation de H2O2 lors de la radiolyse de l'eau avec des faisceaux d'ions (protons, alpha, ...) est mal connue. En effet, l'analyse de H2O2 se fait uniquement par une analyse post-mortem; c'est à dire, lorsque l'échantillon irradié est analysé au laboratoire, quelques minutes après. H2O2 est relativement stable, mais 1/il disparait par réaction pendant la radiolyse s'il n'est pas protégé des attaques du radical hydroxyle ou de l'électron hydraté; 2/il disparaît au contact de particules métalliques même présentes en impureté. Les mesures de formation de H2O2 sous faisceau de particule ionisante sont donc très complexes et souvent sujettes à controverse.
Comme H2O2 a la propriété d'être facilement photolysé avec une excitation laser dans l'UVA-B en donnant 2 radicaux hydroxyle, on peut utiliser la technique de photolyse éclair nanoseconde et la réactivité d'espèces comme Br-, Cl- ou même O2 pour mesurer la concentration de H2O2 au cours du temps, pendant que l'échantillon est irradié (in operando) : cela constitue une expérience à 3 faisceaux.
Le stage consistera donc à utiliser l'installation laser du LIDYL/DICO dédiée à la photolyse éclair nanoseconde et de tester/comparer différents systèmes chimiques pour paramétrer au mieux une expérience qui se fera in fine sous faisceau d'ions pulsé. Avant cela, l'expérience sera simulée avec un code déterministe de manière à tenir compte du processus complexe de la radiolyse de l'eau.
In radiation chemistry, the formation of H2O2 during the radiolysis of water with ion beams (protons, alpha, etc.) is poorly understood. Indeed, the analysis of H2O2 is only done by post-mortem analysis; meaning, when the irradiated sample is analyzed in the laboratory, a few minutes later. H2O2 is relatively stable, but 1/it disappears by reaction during radiolysis if it is not protected from attacks by the hydroxyl radical or the hydrated electron; 2/it disappears on contact with metallic particles/surface, even those present as impurities. Measurements of H2O2 formation under an ionizing particle beam are therefore very complex and often subject to controversy.
As H2O2 has the property of being easily photolyzed with laser excitation in UVA-B giving 2 hydroxyl radicals, we can use the nanosecond flash photolysis technique and the reactivity of species like Br-, Cl- or even O2 to measure the concentration of H2O2 over time, while the sample is being irradiated (in operando): this constitutes a 3-beam experiment.
The internship will therefore consist of using the LIDYL/DICO laser installation dedicated to nanosecond flash photolysis and testing/comparing different chemical systems to best configure an experiment which will ultimately be carried out under a pulsed ion beam. Before that, the experiment will be simulated with a deterministic code in order to take into account the complex process of water radiolysis.
Mots clés/Keywords
Physico-chimie, radiolyse de l'eau, spectroscopie ultra rapide, imulation déterministe
Physico-chemistry, water radiolysis, ultra fast spectroscopy, deterministic simulation
Compétences/Skills
Photolyse laser, photolyse éclair
Laser photolysis, flash photolysis
Logiciels
Office


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