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].
Dès l'avènement du laser, les physiciens ont su modifier les caractéristiques, notamment la polarisation, du faisceau de lumière. Aujourd'hui de nouvelles possibilités s'ouvrent avec la possibilité de façonner spatialement les plans d'ondes ainsi que le profil temporel des impulsions. Il est ainsi possible aujourd'hui de réaliser un faisceau de lumière capable de transporter du moment angulaire orbital (OAM). De tels faisceaux sont caractérisés par des fronts de phase hélicoïdaux, ce qui implique une structure en anneau avec une intensité nulle sur l'axe de propagation [3]. En éclairant un gaz ou un plasma, de tels faisceaux sont capables de transférer leur moment orbital à la matière et de générer un vortex de matière.
Les propriétés uniques de ces vortex optiques ont d’ores et déjà trouvé de nombreuses applications dans les domaines du visible et de l’infrarouge, allant de la manipulation optique à la microscopie haute-résolution, en passant par les communications optiques. L'extension au domaine X-UV de l’utilisation de tels faisceaux, doit permettre d'atteindre de meilleures résolutions spatiales combinées à des résolutions temporelles attosecondes. Ils sont aussi nécessaires pour permettre de nouvelles spectroscopies originales, telles que le dichroïsme hélicoïdal pour l'étude des propriétés magnétiques et optiques de la matière condensée, avec de nombreuses applications dans l’analyse d’échantillons biologiques, ou le traitement de l’information quantique.
Ces faisceaux lasers possédant de l'OAM suscitent un intérêt croissant dans la communauté des ultra-hautes intensités. Leurs propriétés fournissent en effet de nouveaux moyens de contrôle des interactions lumière-matière : comme l'ont montré un grand nombre d'études théoriques, le transfert d'OAM à un plasma modifie profondément la physique des interactions lumière-matière et apporte de nouvelles propriétés au rayonnement harmonique ainsi qu'aux sources de particules générées. Cependant, aucune expérience n'avait encore permis d'observer ces effets à très haute intensité, du fait de la difficulté d'induire un front d'onde hélicoïdal pour un faisceau laser très intense, et donc nécessairement de grande section.
Les expériences réalisées sur l’installation laser UHI100 sont ainsi une première dans le domaine. Pour ceci, une lame de phase hélicoïdale, réalisée sur mesure, est insérée dans le parcours d'un faisceau laser infrarouge ultra-intense collimaté, pour y produire de la vorticité. L'objectif a ensuite été d'étudier les harmoniques, générées par interaction avec une lame de verre utilisée en miroir plasma. Dans une seconde étude, une nouvelle méthode, basée sur l'holographie [2] et s'affranchissant des contraintes imposées par l'utilisation d'une lame hélicoïdale, a été développée pour fournir de l'OAM au faisceau laser les plus intenses.
Le premier résultat obtenu est que le faisceau IR UHI et ses harmoniques XUV présentent un profil spatial avec une structure annulaire, caractéristique d'un vortex laser. Il est donc possible de faire porter un moment angulaire orbital au faisceau laser infra-rouge incident ultra-intense et de le transférer aux harmoniques d'ordre élevé. Ceci a pu être obtenu sur toute la gamme d'intensité, depuis les faibles éclairements (mécanisme d’émission cohérente de sillage – CWE), jusqu'aux intensités laser supérieures à 1019 W/cm (mécanisme du miroir oscillant relativiste – ROM).
Par une méthode interférométrique, la phase hélicoïdale de chaque harmonique a pu être mesurée. On observe que la loi de conservation de l'OAM, à savoir que chaque harmonique porte un moment orbital égal au produit de son ordre par le moment orbital porté par le laser est ici bien satisfaite. La vérification de cette loi de conservation était d'autant plus importante qu'elle avait porté à controverse lors d'expériences réalisées avec des harmoniques générées dans les gaz, à plus faibles intensités [4, 5, 6].
Cependant la technique utilisée, reste difficilement transposable à des lasers plus intenses, de type pétawatt, car elle nécessite des optiques épaisses et de grande taille . Dans une seconde étude, une nouvelle méthode, basée sur l'holographie [ 6], a été développée pour fournir de l'OAM au faisceau laser ultra-intense ainsi qu'aux harmoniques XUV générées. Cette technique, permise par l’excellent contraste d'intensité des impulsions laser utilisées (> 1012) s'appuie sur la méthode du miroir plasma : une pré-impulsion laser génère un plasma structuré, sur lequel l'impulsion principale de ultra-haute intensité est diffractée. Pour fournir de l'OAM au faisceau diffracté, ce n'est plus une mais deux pré-impulsions qui sont utilisées, l'une traversant une petite lame de phase spirale. Un réseau plasma en forme de fourchette a alors obtenu. L'étude montre que les ordres diffractés du faisceau laser ultra-intense sur un tel réseau, ainsi que ceux des harmoniques générées, possèdent bien de l’OAM.
Cette nouvelle méthode holographique se révèle particulièrement intéressante pour manipuler et mettre en forme tout type de faisceaux laser ultra-intenses, puisqu'elle présente l'énorme avantage de pouvoir soutenir des intensités considérables et de ne pas nécessiter d'optiques de grandes tailles adaptées aux faisceaux UHI. Ces résultats ouvrent toutes les applications de ces faisceaux porteurs d'OAM au domaine UHI.
Références :
[1] Interaction of ultraintense laser vortices with plasma mirrors”
A. Denoeud, L. Chopineau, A. Leblanc, and F. Quéré, Phys. Rev. Lett. 118, 033902 (2017).
[2] Plasma holograms for ultrahigh-intensity optics
A. Leblanc, A. Denoeud, L. Chopineau, G. Mennerat, Ph. Martin and F. Quéré, Nature Physics, Vol. advance online publication (2017).
[3] Orbital angular momentum: origins, behavior and applications
A. M. Yao, and M. J. Padgett, Adv. Opt. Photon. 3, 161 (2011).
[4] Strong-field physics with singular light beams
M. Zürch, C. Kern, P. Hansinger, A. Dreischuh, and C. Spielmann, Nature Physics 8, 743 (2012).
[5] Creating High-Harmonic Beams with Controlled Orbital Angular Momentum
G. Gariepy, J. Leach, K. Taec Kim, T. J. Hammond, E. Frumker, R. W. Boyd, and P. B. Corkum,
Phys. Rev. Lett. 113, 153901 (2014).
[6] Synthesis and characterization of attosecond light vortices in the extreme ultraviolet
R. Géneaux, A. Camper, T. Auguste, O. Gobert, J. Caillat, R. Taïeb and T. Ruchon, Nature Communication 7, 12583 (2016).
Contacts CEA-IRAMIS : Fabien Quéré et Adrien Denoeud (IRAMIS/LIDYL-PHI).
Collaboration :
Adrien Denoeud, Ludovic Chopineau, Adrien Leblanc, Gabriel Mennerat, Philippe Martin, Fabien Quéré – CEA-IRAMIS/LIDYL