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Sujet de stage / Master 2 Internship

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Génération d'impulsions attosecondes dans des réseaux transitoires

Spécialité : OPTIQUE / Interaction laser-matière

Contact : RUCHON Thierry,
e-Mail : thierry.ruchon@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 70 10
Laboratoire : LIDYL/ATTO

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-3 mois
Date limite de constitution de dossier : 27/04/2018

Résumé :
Au cours de ce stage l'étudiant(e) mettra en place, sur un laser femtoseconde intense, un dispositif interférométrique pour étudier, lors de la génération d'impulsions attosecondes, les couplages entre moment angulaires orbitaux et de spin de la lumière. Ce stage d'abord expérimental mettra en jeu des concepts d'optique non linéaire, d'optique quantique et d'interaction laser matière.

Sujet détaillé :
Ces dernières années, la génération d’impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1as=10−18s), a connu des progrès spectaculaires. Ces impulsions ultrabrèves ouvrent de nouvelles perspectives d’exploration de la matière à une échelle de temps jusqu’alors inaccessible. Leur génération repose sur l’interaction très fortement non linéaire d’impulsions laser brèves (10 à 50 femtosecondes) et intenses avec des gaz atomiques ou moléculaires. On produit ainsi les harmoniques d’ordre élevé de la fréquence fondamentale, sur une large gamme spectrale (160-10 nm) couvrant l’extrême ultraviolet (UVX). Dans le domaine temporel, ce rayonnement cohérent se présente comme un train d’impulsions d’une durée de quelques 100 attosecondes [Mairesse03]. Une des voies d'application de ces impulsions est leur utilisation dans des schémas pompe-sonde. Un échantillon de gaz est porté dans un état excité par une première impulsion IR et une deuxième, l'impulsion attoseconde, vient le sonder à un délai ajustable, moins d'une femtoseconde plus tard. L'impulsion attoseconde ayant un spectre dans l'XUV elle photoionise les échantillons. Il y a donc deux façons de "lire" l'interaction: en analysant le défaut de photons transmis ou les photoélectrons émis. Jusqu'à présent, ces techniques ont été utilisées en sondant la matière avec un rayonnement attoseconde polarisé linéairement et présentant un front d’onde à symétrie cylindrique. Récemment, nous avons étendu la gamme de ces expériences en utilisant d’une part des impulsions polarisées circulairement [Ferré15], d’autre part, des impulsions dont le front d’onde est hélicoïdal [Géneaux16, Gauthier17]. Alors que les premières sont associées à des photons portant un moment angulaire de spin, les secondes correspondent à des photons portant un moment angulaire orbital. Les perspectives sont à la fois appliquées, en particulier à la femtochimie de molécules chirales, et fondamentales, en particulier liées aux lois de conservation des moments angulaires dans les processus d’optique non linéaire.

Au cours de ce stage, nous proposons de mettre en place un dispositif optique original permettant de tester les lois de conservation des moments angulaires au cours du phénomène extrêmement non linéaire à la base de la synthèse d’impulsions attosecondes, la génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE). Nous mettrons en œuvre deux faisceaux femtoseconde (≃ 25 fs) intenses, qui se croiseront dans un gaz atomique où aura lieu la GHOE. À cet endroit, les deux faisceaux formeront un réseau transitoire dont nous varierons l’épaisseur et la profondeur. Chacun des deux faisceaux portera un moment angulaire de spin et/ou un moment angulaire orbital, ajustable rapidement. Le diagnostic de l’interaction se fera à la fois par polarimétrie du rayonnement XUV, et par mesure du moment angulaire orbital par interférométrie. Outre les aspects fondamentaux mis en jeu, la mise au point de cette technique ouvrira des champs d'explorations nouveaux comme par exemple l'étude de biréfringences ou dichroïsmes transitoires attosecondes qui donneront une nouvelle image des processus à l'œuvre dans des systèmes asymétriques à cette échelle de temps. Cette source ionisant toute la matière, les dichroïsmes seront aussi détectables sur les asymétries de rendements d’électrons dans des détecteurs de particules chargées (VMIS). Cette deuxième voie d’analyse, que nous avons récemment commencé à explorer [Gruson16], demandera des développements expérimentaux spécifiques qui se feraient dans le cadre d’une thèse. Ce stage sera effectué sur les lasers FAB1 & 10 d’Attolab

Compétences développées :

Le ou la stagiaire acquerra une pratique de l’optique des lasers femtoseconde et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il ou elle étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent les théories de génération d'harmonique élevées. Finalement des développements théoriques pourront également être inclus selon les goûts du ou de la candidat(e). La poursuite en thèse est souhaitée.

Compétences requises :

Des compétences en optique, physique atomique et moléculaires seront appréciées.
Références :

[ Ferré15] Ferré, A. et al.: , 2015. Nature Photonics, 9, 93.
[Gauthier17] Gauthier, D. et al.: , 2017. Nature Communications, 8.
[Géneaux16] Géneaux, R. et al.: , 2016. Nature Communications, 7, 12583.
[Gruson16] Gruson, V. et al.: , 2016. Science, 354(6313), 734.
[Mairesse03] Mairesse, Y. et al.: , 2003. Science, 302, 1540.
Techniques utilisées au cours du stage :
Laser femtosecondes Génération d'harmoniques d'ordre élevé Interféromètres Détecteurs de particules chargés Méthodes du vide Modélisation (Python)

Mots clés : Physique attoseconde, optique non linéaire, optique quantique

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