Introduction
L’objectif de l’activité « Théorie et simulation » est de développer les outils théoriques et numériques pour interpréter les expériences en science attoseconde.
Pour ce faire, nous développons des codes numériques permettant de modéliser la réponse non-linéaire d’un gaz atomique à un champ laser intense, aux deux échelles spatio-temporelles du problème.
A l’échelle microscopique, l’interaction laser-atome est décrite dans toute sa généralité par l’équation de Schrödinger dépendante du temps ou, ponctuellement, par une susceptibilité non-linéaire mesurée expérimentalement.
A l’échelle macroscopique, les processus sont décrits par l’équation des ondes, avec pour terme source la réponse microscopique. Différentes géométries d’interaction (jet, cellule ou capillaire) sont ainsi modélisées.
Génération d’harmoniques par deux faisceaux laser non-colinéaires
Nous disposons de différents modèles décrivant la génération d’harmoniques dans les gaz, aux échelles atomique et macroscopique.
En particulier, l’équation de Schrödinger peut être résolue soit numériquement, soit analytiquement dans l’approximation du champ fort (SFA pour ‘Strong Field Approximation’).
Ci-contre, un exemple de modélisation d’une expérience de génération d’harmoniques par deux faisceaux laser non-colinéaires. L’interférence des faisceaux produit un réseau transitoire en amplitude et phase conduisant à l’observation de pics de diffraction des harmoniques en champ lointain.
Lire la suite
Figure 1 a) Diffraction en champ lointain des harmoniques 15 à 21. En augmentant l’éclairement du faisceau d’habillage par rapport à celui du faisceau générateur, rapport noté α, on voit apparaître des ordres de diffraction de plus en plus élevés.
Figure 1 b) Evolution de la figure de diffraction avec α pour H15. A chaque ordre de diffraction correspond une valeur optimale de α.
Figure 1 c) Position du αmax en fonction de l’ordre de diffraction.
Figure 1 d) Distribution en α des différents pics de diffraction.
Impulsions attosecondes isolées par mélange de fréquences
Une étape importante en attophysique est de produire des impulsions attosecondes isolées.
Pour ce faire, deux approches sont étudiées dans le groupe.
La première est d’utiliser le mélange à deux fréquences incommensurables pour générer le rayonnement harmonique. Ainsi, en bloquant la recombinaison périodique de l’électron avec son ion parent, on réduit le nombre de pics d’émission et sous certaines conditions, un seul pic subsiste.
La figure du haut illustre l’évolution du spectre avec le délai entre les deux impulsions pour des longueurs d’onde de 800 et 1300 nm.
On voit sur la figure du bas qu’à délai nul, en sélectionnant une bande spectrale au voisinage de la coupure, on obtient quasiment qu’une seule impulsion attoseconde.
Post-compression laser par fibre creuse
La seconde approche pour produire des impulsions attosecondes uniques est d’utiliser des champs de génération monocycle optique, en post-comprimant des lasers d’une vingtaine de femtosecondes de durée.
La post-compression, réalisée par des miroirs « chirpés », est effectuée après élargissement spectral dans un capillaire ou une cellule multi-passages remplis de gaz. L’activité numérique dans ce type d’expériences, réalisées en collaboration avec le groupe SLIC, consiste à calculer l’élargissement spectral, dû principalement à l’effet Kerr.
Nous développons des modèles numériques décrivant la propagation du laser qui tiennent compte des couplages spatio-temporels avec le gaz, pour les différents dispositifs utilisés.
Lire la suite
A titre d’exemple, la figure ci-contre décrit la propagation d’un laser Ti : Saphir dans un capillaire.
La figure a) représente la fluence, avec ses modulations dues au couplage modal qui s’atténuent au fur et à mesure de la propagation du laser.
La figure b) montre le degré d’ionisation final du gaz.
Post-compression laser par cellule multi-passage
Le passage de lasers Ti : Saphir à des lasers Ytterbium, en cours dans le laboratoire, requiert l’utilisation de cellules multi-passages pour post-comprimer les lasers Ytterbium, de quelques centaines de femtosecondes de durée initiale, à environ 20 fs.
La figure ci-dessous donne un exemple de résultats numériques obtenus pour cette configuration.
a) montre le spectre élargi après 20 passages au foyer des miroirs de focalisation
b) présente l’impulsion post-comprimée. Les évolutions de la largeur spectrale et de la durée d’impulsion résultante (limitée par transformée de Fourier) avec la pression de gaz sont reportées respectivement sur les figure c) et d).
L’accord avec les résultats expérimentaux, représentés par des carrés rouges, est excellent.
Double post-compression laser jusqu’au cycle optique
Pour produire une impulsion monocycle, un deuxième étage de post-compression est nécessaire dans nos conditions.
Il peut s’agir soit d’une deuxième cellule multi-passages ou d’un capillaire. C’est cette seconde option qui a été retenue au laboratoire.
La figure ci-contre présente des calculs préliminaires sur la post-compression d’impulsions d’un laser Ytterbium en utilisant un capillaire.
Lire la suite
L’impulsion injectée est préalablement post-comprimées après plusieurs passages dans une cellule (cf figure ci-dessus). Les figures a) et b) montrent respectivement les modifications du spectre et de l’impulsion avec la propagation.
Nous avons tracé sur les figures c) et d) respectivement le spectre en sortie de capillaire et le profil temporel obtenu. La durée prévue est proche d’une période du champ laser.
