Zone d'’interaction laser - jet supersonique (A. Gonin, IRAMIS).
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.
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En utilisant les impulsions lumineuses ultracourtes du laser à électrons libres FERMI à Trieste (Italie), une large collaboration de physiciens à laquelle participe une équipe du LIDYL, a pu étudier pour la première fois dans le domaine de l'ultraviolet extrême (UVX), l’interaction cohérente entre atomes et photons, phénomène quantique prédit théoriquement par Rabi, dès 1937. L'expérience met en évidence le couplage cohérent obtenu entre un système à 2 niveaux (atome d'hélium) et le champ électromagnétique, à une énergie de 23.7 eV. Ce résultat ouvre la voie à l’exploration de phénomènes cohérents dans ce domaine des très courtes longueurs d'onde et à une échelle de temps jamais atteinte. |
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En spectroscopie moléculaire UV, les spectres observés résultent de l’absorption de la lumière par des groupes moléculaires appelés "chromophores". Dans ce domaine de longueur d'onde, ces spectres sont composés de raies correspondant aux transitions électroniques qui caractérisent à la fois ces chromophores et leur environnement moléculaire. Les chromophores peuvent être ainsi utilisés comme sonde locale de leur environnement, mais l’information contenue dans les spectres UV reste souvent peu accessible et donc sous-exploitée. L’équipe "Lumières et Molécules - LUMO" du LIDYL a développé une nouvelle approche facilitant l’interprétation des spectres UV [1]. Celle-ci repose sur la corrélation entre les transitions électroniques mesurées et les champs électriques, calculés, produits par l’environnement moléculaire des chromophores UV. Illustrée par des travaux portants sur une série de paires d’ions modèles en phase gazeuse, cette approche originale permet d’interpréter des transitions séparées de quelques cm-1 pour un effort de calcul relativement modeste, permettant d’envisager son application à des systèmes plus grands en phase condensée [1]. |
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
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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.
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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. |
G. Lambert1,2,3, T. Hara2,4, D. Garzella1, T. Tanikawa2, M. Labat1,3, B. Carre1, H. Kitamura2,4, T. Shintake2,4, M. Bougeard1, S. Inoue4, Y. Tanaka2,4, P. Salieres1, H. Merdji1, O. Chubar3, O. Gobert1, K. Tahara2, M.-E. Couprie3
1Service des Photons, Atomes et Molécules, DSM/DRECAM, CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
2RIKEN SPring-8 Centre, Harima Institute, 1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5148, Japan
3Groupe Magnétisme et Insertion, Synchrotron Soleil, L'Orme des Merisiers, Saint Aubin, 91192 Gif-sur-Yvette, France
4XFEL Project Head Office/RIKEN, 1-1-1, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 679-5148, Japan
