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Univ. Paris-Saclay

Une collaboration entre les équipes du LIDYL au CEA Saclay et de l'ATP du Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) vient d'élucider les mécanismes d’absorption d’un faisceau laser ultra-intense, lors de sa réflexion sur un plasma dense formé à la surface d’une cible solide. Ces mécanismes, jusqu’alors non identifiés pour des intensités lasers > 1018 W.cm-2, interviennent dans de nombreux processus laser-plasma, tels que la production de faisceaux d’électrons et d’ions relativistes ou de faisceaux de lumière de courte longueur d'onde (émission d’harmoniques Doppler d’ordre élevé), aux multiples applications (spectroscopies, irradiations, médecine…). La compréhension fine de ces mécanismes, rendue possible grâce la combinaison de résultats expérimentaux et numériques de premier plan, permettra d’optimiser ces nouvelles sources de particules et de lumière.

L’avènement des lasers femtosecondes (1fs = 10-18s) de puissance avec la technique "Chirped Pulse Amplification" (CPA) [1] permet aujourd’hui de délivrer des intensités lumineuses gigantesques (> 1021 W.cm-2) associées à des champs électriques ultra-intenses de l’ordre de 1013 V.m-1. Dans ces conditions extrêmes, la matière devient plasma et le champ laser peut accélérer des particules chargées (électrons/ions) du plasma à des vitesses relativistes en quelques attosecondes (1as = 10-18s). La physique associée à ces nouveaux régimes, appelée physique des Ultra-Hautes Intensités (UHI), est ultra-relativiste, fortement non-linéaire et hors-équilibre, ce qui rend son étude particulièrement importante d’un point de vue fondamental.

Les codes "Particle in Cell" - code PIC - sont particulièrement adaptés pour modéliser ces types de plasmas. Ils permettent de tester finement tous les effets de l'interaction laser-matière, lorsque l'on manipule des impulsions ultra-courtes et ultra-intenses, et surtout permettent de proposer de nouveaux modes expérimentaux. Comparé au régime térawatt, il est ainsi montré que de nouveaux phénomènes apparaissent lors de la focalisation d'une impulsion laser d'une puissance supérieure au pétawatt (> 1 PW = 1015 W) sur une surface solide : du fait de l'effet doppler et de la courbure induite par l'extrême pression de radiation, un facteur 500 est prédit sur l'intensité du champ réfléchi par un "miroir plasma", pouvant alors atteindre 1025 W.cm-2 au point focal.


[1] Le prix Nobel 2019 de Physique a été attribué à Gérard Mourou et Donna Strickland pour la découverte de cette technique d'amplification des impulsions laser.

 

Fort de l'expérience développées ces dernières années en simulation de la tranmission d'impulsions lumineuses ultra-courtes à travers des systèmes optiques simples ou relativement complexes, l'équipe PHI du Lidyl propose une méthode pour modifier à volonté et de façon conséquente la vitesse de propagation du maximum d'intensité d'une impulsion lumineuse, cette vitesse pouvant même devenir négative !

Le dispositif proposé est simple et consiste à jouer sur le large domaine spectral que présente une impulsion courte (femtoseconde : 10-15 s) et le chromatisme du dispositif. Les avancées dans ce domaine sont rapides puisqu'une équipe américaine a déjà réussi à mettre expérimentalement en évidence le phénomène. Cette nouvelle possibilité de façonner les impulsions lumineuses a de multiples applications potentielles : accélération de particules, physique des plasmas, expériences résolues en temps à l'échelle sub femtoseconde...

Les vortex optiques sont des faisceaux de lumière à plan d’onde hélicoïdaux porteurs de moment angulaire orbital (OAM), comme le montre leur capacité à induire un mouvement de rotation de la matière. De par leurs propriétés étonnantes (phase en spirale et intensité distribuée en anneau), ces faisceaux ont d’ores et déjà ouvert la voie à de nouvelles applications (spectroscopie, microscopie, manipulations optiques…) dans les domaines du visible et de l’infrarouge, que l'on cherche naturellement à étendre dans le domaine X-UV.

Les lasers possédant de l'OAM suscitent un intérêt croissant dans la communauté des faisceaux laser ultra-hautes intensités (UHI), puisqu'ils offrent de nouveaux moyens de contrôle des interactions avec la matière : le transfert d'OAM à un plasma modifie profondément la physique des interactions lumière-matière et apporte de nouvelles possibilités sur les deux grandes applications des faisceaux UHI : la production de rayonnement harmonique XUV et la production de faisceaux ultrabrefs de particules de haute énergie.

Dans ce domaine, si un grand nombre d'études théoriques ont été réalisées sur le sujet, aucune expérience n'avait encore démontré ces effets pour les très hautes intensités (I > 1016 W/cm2), étant donné la difficulté de produire un faisceau laser large et intense avec un front d'onde hélicoïdal. Une équipe de recherche du LIDYL vient de montrer, sur l’installation laser UHI100, qu’il est possible de générer des impulsions lasers porteuses de moment angulaire orbital et de transférer ce moment à un faisceau d’harmoniques générées sur miroir plasma pour des intensités supérieures à 1019 W/cm². Ces travaux font l’objet de deux publications dans Physical Review Letters [1] et Nature Physics [2].

Deux équipes du CEA LIDYL et du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) ont réussi à mettre en évidence pour la première fois l'accélération d'électrons "dans le vide", par un faisceau laser intense. Cette observation montre qu'il est possible de profiter des très fortes amplitudes de champ électrique des impulsions de lumière laser femtoseconde, que l'on sait aujourd'hui produire, pour accélérer des particules à haute énergie sur de faibles distances.

En concentrant la lumière sur des durées femtosecondes (10-15 s), les impulsions laser peuvent atteindre des puissances lumineuses instantanées considérables (~ 1 PW, soit 1015 W) et donc des amplitudes extrêmement élevées du champ électrique associé (~ TéraV/m, soit 1013 V/m). Comme les vagues en haute mer ne peuvent faire avancer les navires, ce champ, par nature oscillant, ne peut accélérer à de très hautes énergies des particules chargées. Mais comme le surfeur qui va chercher la vague et en avançant avec elle peut continûment profiter de sa pente, l'injection d'électrons relativistes (avec une vitesse très proche de celle de la lumière) dans le faisceau laser peut théoriquement permettre l'accélération recherchée, en profitant pleinement des champs électriques gigantesques associés aux impulsions laser ultracourtes.

De nombreuses équipes de par le monde ont essayé de mettre en évidence ce phénomène, sans pouvoir en apporter la preuve définitive. Cette accélération "dans le vide" de particules chargées par un champ laser intense vient d'être expérimentalement démontrée par une collaboration entre une équipe de l’IRAMIS et le Laboratoire d’Optique Appliquée (ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau. L'interaction de l'impulsion laser avec une cible solide (miroir plasma) permet d'obtenir l'injection idéale d'électrons qui, surfant sur l'impulsion laser, atteignent des énergies de l'ordre de 10 MeV sur une distance de 80 µm. Cette première ouvre ainsi la perspective d’utiliser des faisceaux laser intenses pour réaliser des accélérateurs compacts d'électrons de très haute énergie.

 

Les plasmons sont des oscillations collectives électroniques qui peuvent être excitées avec des photons le long d'une interface, par exemple entre une surface solide et le vide. L'onde électromagnétique et les charges oscillent à la même fréquence, mais leurs longueurs d'onde sont différentes. Ainsi pour satisfaire les deux relations de dispersion, une interface possédant une structure périodique régulière est nécessaire, telle que par exemple un réseau de diffraction.

Pour l'accélération de particules avec des impulsions lasers de haute intensité, l’excitation de tels plasmons a été envisagée comme un moyen possible d'augmenter le couplage laser-cible[1]. Dans le cadre d’une collaboration internationale, l’équipe PHI du LIDYL et TSM du LSI ont observé pour la toute première fois dans le domaine relativiste (I>1019 W/cm2) que des plasmons résonnants sont capables d’accélérer à des fortes énergies des paquets d'électrons le long de la surface de ces cibles structurées

Les sources d’électrons pulsées représentent une alternative intéressante aux sources de photons X pulsées basées sur des systèmes laser de haute intensité.

Nous décrirons les méthodes actuelles de génération de paquets d’électrons ainsi que les techniques de caractérisation des paquets. Les résolutions temporelles et spatiales ultimes qu’il est possible d’atteindre à ce jour seront discutées. Nous exposerons les résultats obtenus lors de notre dernière campagne de mesure sur le serveur ELYSE de l’Université Paris-Sud en 2014, en collaboration avec une équipe de l’ISMO et la start-up ITEOX. Finalement, quelques applications seront mises en perspective.

L’imagerie par diffraction cohérente est une technique d’imagerie relativement récente permettant d’obtenir des résolutions spatiales de l’ordre de la longueur d’onde car elle se passe de l’emploi d’éléments optiques potentiellement aberrants. Ainsi, nous avons pu démontrer il y a quelques années une résolution spatiale meilleure que 100 nm en utilisant le rayonnement XUV issu de la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser infrarouge (HHG). Cependant, dans les schémas usuels, la résolution est limitée par la largeur spectrale de la source. Nous présenterons un schéma holographique d’imagerie sans lentille permettant de profiter à la fois des propriétés spectrales et temporelles de la HHG. Un placement astucieux de la référence holographique permet ainsi soit de réaliser des mesures résolues spatialement et spectralement en une impulsion laser unique, soit de combiner résolutions spatiale nanométrique et temporelle sub-femtoseconde.

Contact : Willem Boutu (LIDYL/Atto)

Avec son énergie considérable, un photon de l’ultraviolet extrême ionise toutes les molécules, indépendamment du détail de leur structure énergétique. Pour cette raison les impulsions lumineuses ultrabrèves dans ce domaine spectral sont sans égal pour sonder les processus photochimiques.  Elles donnent notamment accès à des informations sur la structure d’intermédiaires réactionnels éphémères dont les propriétés spectroscopiques sont hors d’atteinte. Grâce à une collaboration entre le Laboratoire interactions, dynamique et lasers – LIDyL (CEA), le Centre lasers intenses et applications - CELIA (CNRS/CEA/Univ. Bordeaux), le synchrotron SOLEIL, et le Laboratoire collisions, agrégats, réactivité - LCAR (CNRS/Univ. Toulouse 3) nous venons de mettre au point une nouvelle source réalisable en laboratoire et qui délivre des impulsions brillantes, cohérentes, ultrabrèves et de polarisation quasi-circulaires dans l’ultraviolet extrême. Pour cela, nous avons utilisé la génération résonante d’harmoniques d’ordre élevé émises par un gaz soumis à des impulsions laser intenses. Aujourd’hui, de la lumière polarisée circulairement n’est produite dans cette gamme de rayonnement que par quelques grands instruments comme les synchrotrons et, à l’exception notable de quelques lasers à électrons libres, uniquement de manière quasi-continue. Les propriétés de polarisation spécifiques de cette nouvelle source laissent envisager des études pompes sonde de processus ayant lieu dans des molécules chirales, c’est-à-dire les molécules qui ne sont pas leur propre image dans un miroir. Le rôle prépondérant de ces molécules en chimie organique et biologie laisse entrevoir de nombreuses applications.

 

http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n2/full/nphoton.2014.314.html

Nous relatons ici une expérience qui s'est déroulée sur l'installation LULI-2000 pendant l'année 2014. L'interaction d'un faisceau laser de 30 à 400 J pendant 1.5 nanoseconde crée un plasma des matériaux sondés qui est analysé à environ 500 µm en avant du point d'impact. Une partie des diagnostiques sert à la caractérisation du plasma, interféromètre, sondes Thomson ionique et électronique, pyromètre optique résolu en temps, et par ailleurs un spectromètre X-dur pour les mesures d'émission spectrale. Les résultats de cette expérience sont confrontés aux simulations utilisant un code hydrodynamique et deux codes "atomiques".

On décrit la réalisation et l’optimisation d’un dispositif original de doublement de fréquence large bande, d’impulsions ultra courtes (longueur d’onde de l’impulsion fondamentale 800 nm, durée FTL 45 fs). Le principe repose sur l’utilisation d’un rayonnement fondamental chirpé en fréquence, de fronts d’impulsion tiltés et d’une géométrie non colinéaire. La géométrie non colinéaire permet, avec un choix judicieux de l’angle entre les deux faisceaux à la fréquence fondamentale, de réaliser au premier ordre l’égalité des vitesses de phase et de groupe dans le cristal doubleur. Il en découle la possibilité d’employer des cristaux notablement plus épais qu’en géométrie colinéaire sans diminution du spectre en fréquence et par conséquent de réduire l’éclairement incident nécessaire pour atteindre un rendement de conversion donné. En limitant l’éclairement incident sur le cristal doubleur (ici LBO ou BBO), on peut éviter les processus non linéaires « parasites » d’ordre supérieur. On montre analytiquement que la durée du second harmonique (ici à la longueur d’onde de 400 nm) peut être sensiblement plus courte que celle de l’onde fondamentale. Expérimentalement, en bon accord avec les prévisions des simulations numériques, des impulsions de 30 à 35 fs à 400 nm (durée FTL après re-compression), avec un profil spatial d’excellente qualité ont été obtenues. Avec un cristal de LBO de 6 mm d’épaisseur et de 40 mm de diamètre, des énergies de l’ordre de 20 mJ par impulsion ont été atteintes sur LUCA à 400 nm. Le principe de la méthode peut a priori être étendu au cas du triplement voire du quadruplement de fréquence.

Un enjeu majeur pour l'étude des interactions laser-matière à ultrahaute intensité est de trouver des méthodes simples pour à la fois contrôler ces interactions, et les caractériser à de très petites échelles spatiales (micron) et temporelles (attoseconde à femtoseconde). Dans ce contexte, on montre comment, grâce à une mise en forme très simple d'un faisceau laser femtoseconde de haute puissance, on peut générer des 'réseaux plasmas' résistant à des impulsions laser ultraintenses, à la surface d'une cible initialement plane (lame de verre). En exploitant une technique d'imagerie par diffraction appelée ‘ptychographie’, ces réseaux plasma transitoires peuvent alors être utilisés comme objets diffractants pour reconstruire spatialement, en amplitude et en phase, le champ harmonique En(x) généré à la surface de la cible. Ces résultats dépassent largement les objectifs initiaux du projet initial.

Optically controlled solid-density transient plasma gratings,
S. Monchocé, S. Kahaly, A. Leblanc, L. Videau, P. Combis, F. Réau, D. Garzella, P. D’Oliveira, Ph. Martin, and F. Quéré, Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 145008.

 

Voir aussi :

Ptychographic measurements of ultrahigh-intensity laser–plasma interactions
A. Leblanc, S. Monchocé, C. Bourassin-Bouchet, S. Kahaly & F. Quéré, Nature Physics (2015)
 

Contact CEA  : Fabien QUERE

 

 

L'interaction d'une impulsion laser intense avec une surface solide fait violemment osciller le cortège électronique, entrainant l'émission de protons. C'est une méthode pour obtenir une source de protons de haute énergie pour de nombreuses applications (imagerie et proton thérapie par exemple).

Deux équipes de l’IRAMIS appartenant au SPAM (Physique à Haute Intensité) et au LSI (Interaction Laser-Solide) ont montré, pour la première fois, qu’à l'aide de surfaces structurées, il est possible de renforcer l’efficacité du couplage avec le faisceau laser, via l’excitation résonante d’ondes de surface en régime relativiste, et d'obtenir ainsi des protons de plus haute énergie. La démonstration expérimentale de ce mécanisme original ouvre une voie pour améliorer la production par laser de faisceaux de particules énergétiques.

Un matériau transparent laisse passer la lumière. Mais si la lumière devient trop intense (faisceau laser) le solide peut être localement détruit par claquage optique, phénomène qui résulte d'un violent échange d'énergie. Les détails du mécanisme sont complexes, mais méritent d'être étudiés, pour maitriser cet effet indésirable (optique laser), mais aussi aujourd'hui pour façonner les matériaux optiques (micro usinage du verre, composants SiO2 et gravures de fibres optiques) ou pour des applications médicales (chirurgie de la cornée). Une expérience pompe-sonde originale, réalisée par les chercheurs de l'IRAMIS, permet de détailler les mécanismes du processus selon la nature du matériau irradié.

L'interaction d'une impulsion laser ultracourte de forte intensité avec une surface solide génère un plasma dense d'où sortent des faisceaux de particules de haute énergie. La conversion d'énergie lumineuse en énergie (cinétique) des particules peut être optimisée en modulant à l'échelle de la longueur d'onde du laser la surface de la cible, de façon à exciter de façon résonnante une onde plasma de surface. Dans ce cas, les simulations montrent non seulement la présence d'un champ électrique oscillant localisé sur la surface et plus intense que le champ du laser, mais aussi la génération, pendant la durée de l'impulsion, d'un champ magnétique statique extrêmement intense (> 104 T !). Ces champs contribuent conjointement au confinement des électrons du plasma et à l'accélération efficace des protons éjectés.

 

Pour observer des phénomènes ultrarapides tels que le mouvement des électrons au sein de la matière, les chercheurs ont besoin de sources capables de produire des rayonnements lumineux extrêmement brefs et énergétiques. Si des dispositifs capables d’émettre des impulsions dans le domaine de l’attoseconde (10-18 seconde) existent déjà, de nombreuses équipes s’efforcent de repousser les limites de leur intensité et de leur durée.

 

 

Un des axes de recherche essentiel dans le domaine des  impulsions laser ultra-brèves (femtoseconde 10-15 s) concerne la stabilisation de la position de la porteuse dans l’enveloppe de l'impulsion (dite CEP pour "Carrier Envelope Phase"). Un procédé innovant pour corriger les fluctuations lentes de CEP est proposé par le CEA/SLIC (Saclay Laser-matter Interaction Centre)en collaboration avec la Société Amplitude Technologies (AT). Il est fondé sur l’utilisation de l’effet électro-optique (EO) linéaire, qui permet d’envisager la réalisation d'un système correctif compact, simple et à coût modéré et dont le temps de réponse rend possible un fonctionnement à taux de répétition élevé.

Contacts : N. Fedorov1 and S. Guizard1, A.Vasil'ev2 and A.Belsky3, M.Kirm4, V.Nagirny4 and E.Feldbach4


 

Pour caractériser un flux de rayonnement ou de particules (électrons, rayons g, photons X ou UV) les détecteurs à scintillation utilisent un matériau émettant une quantité de lumière proportionnelle à l'énergie apportée par la particule incidente. Le processus de scintillation est ainsi au cœur de la métrologie des rayonnements ionisants, en particulier en physique et médecine nucléaire, radiocristallographie ou analyse par fluorescence X. Les expériences récentes de l'équipe du LSI permettent de mieux comprendre les processus élémentaires d'excitation électronique en jeu et d'expliquer les mécanismes physiques à l'origine de la réponse non linéaire des matériaux scintillateurs, source d'imprécision de la mesure, qu'il devient possible de corriger. 

Une des qualités principales que l'on attend des matériaux scintillateurs est leur capacité à délivrer un signal de luminescence proportionnel au flux et à l'énergie des particules incidentes. Dans certaines situations, cette réponse n'est pas proportionnelle : on parle d'effets de saturation ou de "quenching" de la luminescence.

Une autre observation est la forte variabilité de la constante de temps de déclin de la luminescence suivant le type de particule ou de rayonnement incident (électrons, rayons g, photons X ou UV) : dans le cas du Cadmium tungstate (CdWO4) considéré dans notre étude, les valeurs observées s'étendent de 800 ns à 15 µs. Le but de notre étude sur les matériaux scintillateurs est de comprendre l'origine physique de la réponse non linéaire, et de la variabilité des constantes de temps.

Contact CEA : Hamed Merdji

Pour obtenir une image d'un objet, il suffit usuellement de l'éclairer et d'enregistrer la lumière diffusée qui parvient à un détecteur. Si l'image est formée à l'aide d'un objectif, l'optique utilisée impose de nombreuses limitations (résolution, aberrations...). Pour atteindre les résolutions ultimes : spatialement (fonction de la longueur d'onde du rayonnement utilisée) et temporellement (fonction de la durée du "flash"), une technique possible, sans optique, est la diffraction cohérente. En utilisant un faisceau cohérent comme celui d'un laser, on observe en effet une modulation du signal liée aux interférences, permettant de reconstruire numériquement l'image exacte de l'objet avec une précision inégalée. Pour atteindre des résolutions nanométriques voire atomique, on cherche donc à éclairer et enregistrer l'image avec un faisceau de rayons X cohérent (rayonnement laser de longueur d'onde nanométrique). Le faible éclairement moyen demande usuellement de longues accumulations sur plusieurs tirs lasers. Des progrès récents ont permis d'obtenir des images avec un seul tir femtoseconde (10-15 s) issu d'un laser de laboratoire, ouvrant la voie à des études résolues en temps.

Pour des arrangements réguliers d'objets élémentaires, la diffraction de Bragg dans le domaine X est une technique très puissante de caractérisation de la matière à l'échelle atomique. Elle constitue le principal outil de la cristallographie. L'information contenue dans la diffraction de Bragg est riche : si a est la taille caractéristique de l'objet élémentaire, alors les pics de Bragg sont distants de 1/a dans l'espace réciproque. Une partie de l'information est cependant perdue : en effet, la fréquence maximale à laquelle on peut échantillonner la figure de diffraction est inférieure à la fréquence de Nyquist (2a). En particulier, si l'objet élémentaire a une amplitude et une phase, la diffraction de Bragg ne permettra pas de déterminer la phase.

Fabien Quéré et le Groupe Physique à Haute Intensité (PHI) - IRAMIS – Service des Photons, Atomes et Molécules (SPAM)

Depuis l'invention du laser on cherche à obtenir des faisceaux de longueur d'onde de plus en plus courte, dans le domaine des rayons X. Une des manières de produire du rayonnement XUV est de focaliser un laser intense dans un milieu matériel. Celui-ci réagit à la très forte sollicitation extérieure de manière non-linéaire, ce qui se traduit par l’émission d’harmoniques d’ordres élevés de la fréquence fondamentale excitatrice.

On  utilise depuis une quinzaine d’années des systèmes atomiques ou moléculaires pour jouer ce rôle de convertisseur de fréquence. C’est la génération d’harmonique dans les gaz (voir le fait marquant du 13 mai 08 : "Des molécules pour contrôler les impulsions lumineuses à l'échelle attoseconde"). Ces harmoniques ont des propriétés temporelles et spatiales particulièrement intéressantes qui se traduisent dans le domaine temporel par la génération de trains d’impulsions attosecondes, et dans le domaine spatial par une excellente cohérence. En un sens, les propriétés de ce rayonnent XUV calquent celles du laser excitateur.

Depuis peu, une autre manière de générer ces fréquences élevées est en plein développement. Il s’agit d’utiliser la surface d’un solide, autrement appelé un "miroir plasma" (voir le fait marquant de septembre 2006 : "Les miroirs plasmas : de la physique des conditions extrêmes aux nouvelles sources de lumières") et d’y focaliser un laser de très haute intensité (>1017 W/cm2).

Thomas Blenskia et Bogdan Cichockib

aCEA Saclay, DSM/IRAMIS/LIDYL, Bât 522, F91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
bInstitute of Theoretical Physics, Warsaw University, Hoza 69,
00-681 Warsaw, Poland

Dans un plasma dense et chaud (étoiles, interaction avec un  laser nanoseconde, fusion inertielle …), les atomes sont partiellement ionisés et forment un mélange d'ions et d'électrons à la dynamique très complexe. Une bonne modélisation de cet état doit être fondée sur une compréhension du système étudié permettant de reproduire l'ensemble de ses propriétés, pour finalement révéler ses particularités Pour un plasma, le bilan radiatif et les propriétés optiques sont des paramètres macroscopiques particulièrement importants à connaître, mais cela nécessite de disposer d'un modèle quantique prenant bien en compte l'ensemble des états atomiques excités tout en restant thermodynamiquement cohérent. C'est ce type de modèle que les théoriciens tentent de développer activement depuis plus de cinquante ans. La difficulté de construire un modèle quantique et thermodynamique d'un plasma a été récemment surmontée par les travaux [6,7] entrepris au DRECAM/SPAM en collaboration avec B. Cichocki de l’Université de Varsovie.

V. Véniard, E. Luppi et le groupe de Spectroscopie Théorique,
CEA/DRECAM - Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), Ecole Polytechnique.

Lorsqu'on éclaire un objet, la transmission, la diffusion, ou l'absorption et la réémission de la lumière traduisent la réponse linéaire du milieu éclairé. A fort éclairement, la réponse de ce même milieu peut devenir non linéaire entraînant la génération d'harmoniques. Le premier terme du second ordre correspond à l'émission de lumière à la fréquence double du rayonnement incident, avec une amplitude proportionnelle à la susceptibilité électrique d'ordre deux du matériau. Au-delà des applications en optique non linéaire (laser), la génération d'harmonique d'ordre deux est aussi beaucoup utilisée comme sonde pour l'étude des surfaces et des interfaces. En effet la brisure de symétrie introduite par la présence d'une surface autorise le phénomène, le plus souvent interdit par la symétrie du volume (centre d'inversion).

Pour l'amélioration des dispositifs non-linéaires (tels que les doubleurs de fréquence) ou la conception de nouveaux matériaux aux propriétés bien spécifiques, une bonne connaissance expérimentale mais aussi théorique des propriétés optiques des matériaux est indispensable. Dans ce but, les premiers calculs de génération d'harmoniques ont été faits avec des théories à électrons indépendants dans un champ moyen, mais l'accord obtenu avec les résultats expérimentaux pour des semi-conducteurs, comme le carbure de silicium (SiC) ou l'arséniure de gallium (AsGa) n'est pas satisfaisant. La détermination théorique précise des susceptibilités d'ordre deux, nécessitant la pris en compte de tous les effets à l'échelle microscopique, est donc loin d'être achevée.

J.M. Mestdagh, L. Poisson, I. Fischer, P. D'Oliveira

Le laser de la Plateforme Laser Femtoseconde Accordable (PLFA), est installé depuis environ un an au Service de Photons Atomes et Molécules (CEA-Saclay ans CNRS). Il fait partie de l'infrastructure SLIC, membre du réseau européen LASERLAB-EUROPE, ce qui le rend accessible par proposition d'expérience aux chercheurs européens. Sa conception repose sur plusieurs paris : cadence de répétition élevée (1 kHz), forte énergie par impulsion (jusqu'à 13mJ à une longueur d'onde de 800nm), large accordabilité (500-750nm) et durée d'impulsion ultracourte (<35 fs = 35x10-15 s) sur l'ensemble de sa gamme de fonctionnement.

Les conditions d'accordabilité, bien qu'exigeantes et difficiles à réaliser, sont essentielles pour permettre des progrès décisifs en physico-chimie des phénomènes ultrarapides. Celles sur la durée d'impulsion le sont pour sonder la dynamique des réactions.
Les recherches dans ce domaine on commencé au DRECAM au début des années 90. Elles ont conduit à une surprise de taille, une sorte de révolution en physico-chimie : l’écoulement de l’énergie au sein de molécules organiques ou bio-organiques a souvent lieu à des échelles de temps sub-picoseconde. Ceci était parfaitement incompatible avec les modèles couramment utilisés de redistribution d'énergie par le couplage entre excitation électronique et vibration.

C'est pour offrir une nouvelle approche plus complète, que le projet de PLFA s'est imposé. La PLFA permet à la fois les études énergétiques, en ajustant la quantité d’énergie déposée dans le système, la sélectivité par l'accordabilité de la source et les études temporelles à l’échelle femtoseconde.

Fabien Quere et le Groupe Physique à Haute Intensité (PHI) - DRECAM – Service de Physique des Atomes et des Molécules (SPAM)

Que se passe t-il lorsqu'un miroir (morceau de verre) est soumis à des impulsions ultra-brèves et ultra-intenses, telles que ses électrons oscillent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière ? Ces conditions peuvent être obtenues lors de la seconde réflexion d'une impulsion laser sur un miroir plasma. Les électrons relativistes obtenus autorisent la génération d'harmoniques élevées au delà de la fréquence plasma maximale que peut supporter le milieu sans être totalement ionisé. De telles sources de lumière sont indispensables au développement de la physique à l'échelle de "l'attoseconde" et de l’optique non-linéaire dans le domaine X.

 

Le principe du miroir est a priori très simple : il suffit de se mettre devant pour voir son image. Comprendre dans le détail son fonctionnement est déjà plus difficile, et il a fallu attendre le début du XXème siècle et la théorie de Drude pour en avoir une idée plus précise dans le cadre des champs électromagnétiques de très faible amplitude.

Que se passe t-il lorsque ce même miroir est soumis à des impulsions ultra-brèves et ultra-intenses, lorsque ces conditions extrêmes conduisent ses électrons à osciller à des vitesses proches de la vitesse de la lumière ? C’est à ce type de questions que les physiciens du groupe PHI du SPAM cherchent à répondre.

Bien que les laser ultra-intenses existent depuis une bonne dizaine d’années, ce type d’étude n’était pas accessible car les impulsions délivrées étaient accompagnées d’un fond continu de rayonnement électromagnétique relativement long (plusieurs ns) et suffisamment intense pour détruire le miroir avant même l’impact de l’impulsion centrale ultra-brève dont seule l’action est intéressante. Ce rapport d’intensité entre le "pic" de l’impulsion et ce rayonnement parasite, appelé le contraste du laser, était donc très défavorable. Le groupe PHI a récemment trouvé une solution à cette difficulté majeure en étudiant un  "Miroir à Plasma" qui permet d’augmenter ce contraste d’un facteur 100. En utilisant successivement 2 miroirs plasma, soit un "double miroir plasma", le gain obtenu supérieur à 10 000 permet de s’affranchir du rayonnement de fond parasite, rendant ainsi accessible l’étude des phénomènes de réflexion métallique dans le domaine relativiste.

Comme dans notre miroir classique, le faisceau réfléchi dans la direction spéculaire (Figure 1) nous apporte des informations sur le comportement de la surface réfléchissante.

Gilles Doumy & le groupe PHI, CEA Saclay, DSM/DRECAM/Service de Physique des Atomes et des Molécules (SPAM)

Les impulsions laser ultra-brèves, d'une durée de quelques dizaines de femtosecondes (1 fs = 10-15 s), permettent d'obtenir des puissances considérables avec une énergie par impulsion relativement modeste. En focalisant ces impulsions sur une cible, on obtient des champs électromagnétiques comparables à ceux liant les électrons aux noyaux des atomes, ce qui permet d'étudier l'interaction lasermatière dans un régime fortement non-linéaire.

Les lasers générant de telles impulsions n'ont pas un contraste temporel parfait : l'impulsion femtoseconde est "posée" sur un fond de lumière de durée nanoseconde, appelé piédestal (Fig. 1). Pour les lasers de puissance, tel que le laser UHI10 (Ultra-Haute Intensité 10 TW = 1013 W) du SPAM, ce fond continu est suffisamment intense pour modifier considérablement les cibles bien avant l'arrivée de l'impulsion femtoseconde. L'interaction à haute intensité se déroule alors dans des conditions très mal contrôlées.

 

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