Interaction laser-matière
Les activités de recherche de l’IRAMIS sur l’interaction laser-matière concernent des aspects aussi bien physiques que chimiques. Les programmes de recherche s'étendent des systèmes atomiques et moléculaires simples aux systèmes moléculaires et biomoléculaires complexes, jusqu'aux solides et aux plasmas.
L'étude de la réactivité chimique ou de la conformation moléculaire est ici abordée d'un point de vue spectroscopique (IR et UV). Elle est complétée par des études temporelles de type pompe-sonde permettant d'étudier la succession des états intermédiaires et les mécanismes réactionnels.
L’IRAMIS est un acteur important du "Pôle laser" dans le périmètre de l’université Paris Saclay : il coordonne la plateforme ATTOLAB, destinée aux études interdisciplinaires de dynamique ultra-rapide aux échelles de temps femtoseconde et attoseconde dans les systèmes en phase gazeuse, condensée et plasma. Et il héberge le Centre Interdisciplinaire pour la Lumière Extrême (Equipex CILEX, incluant le laser APOLLON 10 PW), destiné à l'étude du comportement de la matière dans un régime d'interaction ultra-relativiste jusqu'alors inexploré.
 
#2349 - Màj : 10/10/2018
 

Plusieurs équipes du LIDYL contribuent au développement de sources de lumière extrême (impulsions lasers ultra intense / ultra brèves), ainsi qu'au nécessaire développement de la métrologie optique associée avec la mesure de profil d'intensité ultra-intense ou de durée d'impulsions dans le domaine attoseconde (10-18 s).

Ce domaine couvre plus particulièrement au LIDYL :

  • Développements de l'optique femtoseconde-attoseconde
    • Contrôle de la phase optique
    • États exotiques de la lumière (moments angulaires de spin et orbital)
    • Lignes de lumière (transport et mise en forme des faisceaux)
    • Métrologie et caractérisation avancées
    • Miroirs plasma
    • Nouvelles spectroscopies (ex. dichroïsme hélicoïdal)
    • Post-compression des impulsions laser
    • Sources de particules et de rayonnement de courte longueur d’onde
  • Modélisation optique
  • Optique et composants non-linéaires

 La thématique "Interaction laser-matière en champ fort" associe trois groupes de recherche du LIDyL :

Attophysique

Le groupe ATTO étudie la production par génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un gaz d'impulsions de lumière dans l'extrême UV (10-100nm), de durée ultra-brève, typiquement une centaine d'attosecondes (1as=10-18s).......

♦ Contact : Pascal Salières.


 Physique à Haute Intensité

Le groupe PHI étudie la physique de l'interaction laser-matière en régime ultra-relativiste et à ultra-haut contraste .....

♦ Contact : Sandrine Dobosz-Dufrenoy.


Matière à Haute Densité d'Energie

Le groupe MHDE s'intéresse aux propriétés électroniques et radiatives (émissivité, opacité, ...) des plasmas denses et chauds .....

♦ Contact : Thomas Blensky.

While the pulse durations of infrared lasers are reaching the fundamental limitation imposed by the duration of the optical cycle (a few femtoseconds), High-order Harmonic Generation has recently opened a new field by accessing the attosecond regime (1as = 10-18 s).

HHG spectra are made of lines corresponding to the odd multiples of the fundamental laser frequency, and can cover a very broad spectral range, from visible light to soft X-rays. If these harmonics are phase locked, then the corresponding temporal profile is a train of attosecond pulses separated by half the laser period, whose duration decreases as the number of combined harmonics increases. The first experimental demonstration of attosecond pulses was performed in 2001 by the attophysics group in collaboration with the Laboratoire d’Optique Appliquée (Palaiseau) and FOM institute (The Netherlands) using the RABBITT technique [1]. We measured a train of 250 as pulses, corresponding to the superposition of five consecutive harmonics. In 2003 we extended this study by measuring the relative phases of the high harmonics over a broad spectral range [2]. This uncovered for the first time the presence of an intrinsic chirp of the attosecond emission.

Currently our activity is aiming at further developing these attosecond sources and at exploring the new physics they make accessible (see below). In-house theoretical studies provide support on these topics, using and developing 3D propagation codes in combination with Strong Field Approximation microscopic response. Further support is provided through external collaborations with theoretical groups in, e.g. Paris (LCPMR), or Madrid (UAM). 

[1] P.-M. Paul et al., Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation, Science, 292, 1689 (2001).
[2] Y. Mairesse et al.  Attosecond synchronization of high-harmonic soft X-rays, Science, 302, 1540 (2003)

Au LIDYL, les simulations numériques permettent de modéliser l'interaction de la lumière avec la matière en particulier sous l'effet d'impulsions laser de très haute intensité et extrêmement brèves (domaine attoseconde (10-18 s). Les simulations de plasma denses ou dilués, en particulier à la surface d'un solide, ou encore l'interaction de plusieurs impulsions successives (miroir plasma) demandent des réaliser des calculs intensifs ultrapuissants, sur des machines pouvant effectuer des milliards de calculs par seconde.

Cette thématique couvre les activités suivantes au sein du LIDYL :

  • Calcul exascale
  • Développement algorithmique et modélisation
  • Frugalité numérique
  • Intelligence artificielle

La matière sous toutes ses formes est quantifiée. Atomes, molécules des molécules simples aux macromolécules biologiques, présentent des spectres lumineux caractéristiques, en absorption ou en émission, que l'on peut identifier par spectroscopie. Les sources lasers et plus particulièrement les sources impulsionnelles permettent aujourd'hui de nouveaux développements de tous les types de spectroscopies.

C'est par ces techniques que plusieurs équipes du LIDYL abordent des sujets de recherche très actuels :

  • Caractérisation de produits de fission
  • Dosimétrie par fluorescence
  • Nouvelles approches pour la radiothérapie (Radiothérapie 2.0)
  • Physico-chimie multi-échelle de la radiolyse

La lumière, onde électromagnétique, porteuse d'un champ électrique et magnétique oscillant interagit fortement avec les particules chargées et principalement avec les électrons des atomes, des molécules ou de la matière condensée sous toutes ses formes. Elle intervient ainsi directement dans de nombreux processus physiques et chimiques.

C'est aussi un formidable outil d’investigation de la matière sous toutes ses formes. Les photosciences au sein du LIDYL couvrent un large ensemble d'études mettant en jeu l’interaction lumière-matière en tant que processus fondamental ou comme outil d’analyse.

Avec la possibilité de générer des impulsions laser de très courte durée (dans le domaine attoseconde - 10-18-10-15 s, il devient possible d'interagir avec la matière, à l'échelle de temps caractéristique de la dynamique des électrons dans la matière. Cette possibilité ouvre la voie à de multiples recherches, et plus particulièrement au LIDYL à l'étude (liste non exhaustive) :

  • des processus d’excitation et de relaxation électronique ultra-rapide dans les solides et les matériaux aux électrons fortement corrélés,
  • de la génération d’harmoniques d’ordre élevé de durée ultra-courte dans les cristaux optique non linéaire
  • de la génération de rayonnement laser cohérent de très courte longueur d’onde (jusqu'au domaine X), applicable au développement de nouvelles techniques de microscopie. (collaboration avec la PME Imagine Optic).
  • du couplage direct entre le champ électrique et le spin des électrons, offrant un contrôle ultrarapide des propriétés magnétiques
  • des phénomènes élémentaires topologiques,  en surface et aux interfaces.
  • de réactions photochimiques, y compris dans les macromolécules biologiques (ADN).

Voir plus particulièrement les recherches menées dans les équipes DICO et ATTO du LIDYL.

Sur ce thème, les objectifs de recherche portent sur

  • le développement et la caractérisation de nouveaux matériaux pour l'optique et la photonique, et sur
  • le développement de nouvelles instrumentations (capteurs optiques, lasers...).

Les forces de cette thématique résident dans la capacité des équipes du CIMAP à réaliser les matériaux (cristaux massifs et couches minces de fluorures dopés par terre rares, couches minces nanostructurées d'oxyde codopés par des nanograins de silicium et des terres rares par exemple), d'étudier leurs caractéristiques structurales et optiques, et de construire des prototypes lasers ou des concepts de base de dispositifs.

Par ailleurs, les compétences en optique et en instrumentation sont mises à profit pour réaliser des capteurs originaux et pour proposer des méthodes permettant de maîtriser les faisceaux laser.

3 équipes de recherche travaillent sur cette thématique de façon complémentaire et de nombreuses collaborations existent entre elles :

Leur activité porte sur :


 

Une réaction chimique dépend non seulement des atomes et des molécules mises en jeu mais aussi de leur environnement à courte distance. Comprendre le déroulement d'une réaction chimique demande ainsi une approche fondamentale prenant en compte à la fois ses aspects temporels et spatiaux. L’IRAMIS met donc en œuvre tout un ensemble de spectroscopies résolues en temps de la femtoseconde à la milliseconde avec des lasers pour étudier la dynamique de systèmes moléculaires, allant de biomolécules telles que l’ADN à des molécules chromophores pour le photovoltaïque.

Différentes problématique sont étudiées. En particulier des études conformatio-sélectives sont abordés par une double approche expérience – théorie avec des simulations de chimie quantique. Des systèmes plus complexes hors équilibre, isolés en phase gazeuse ou liés à des agrégats, sont étudiés dans le but d’identifier et de modéliser les forces qui pilotent leur dynamique réactionnelle.

 

 

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