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.
Les lasers à impulsions ultra-brèves sont au cœur d'un secteur extrêmement actif de la recherche sur l'interaction rayonnement-matière et ont une multitude d'applications dans des domaines très variés, allant par exemple de la fusion nucléaire contrôlée à la chirurgie de l'œil.
Lorsque leur durée n’est que de quelques dizaines de femto-secondes (10-15 s), les impulsions laser (dont la forme temporelle définit l’enveloppe) ne contiennent que quelques oscillations du champ électrique associé à l’onde porteuse (voir figure). La position relative de l'onde porteuse par rapport à son enveloppe, définit une phase (CEP) qui peut avoir un impact significatif sur la façon dont l'impulsion interagit avec la matière. Le contrôle précis de cette phase est par exemple l’une des clefs pour la génération d’impulsions uniques ultracourtes dans la gamme attoseconde (10-18 s).
La présence de perturbations liées à l’environnement (variations de température, vibrations, etc..) dans la chaine d’amplification conduit à des variations lentes de la CEP qu’il est nécessaire de corriger. La correction se faisait jusqu’alors par des mouvements mécaniques (modification du trajet optique dans un élément dispersif), ou via un système plus complexe et coûteux comme un filtre dispersif acousto-optique programmable.
Conjointement SLIC et AT proposent une méthode originale pour ce système de correction qui consiste à utiliser l’effet électro-optique (EO) linéaire dans un cristal de LiNbO3 [3]. Sous l’action d’un champ électrique appliqué au cristal, les vitesses de phase (vitesse de déplacement des oscillations de champ) et de groupe (vitesse de déplacement de l'enveloppe) sont modifiées de façon indépendantes ce qui permet d'agir sur la CEP. La réponse du système correctif peut être optimisée en maximisant la variation de la CEP avec le champ appliqué par un choix convenable de la géométrie (polarisation du faisceau laser, direction de propagation et orientation du cristal). Il possède aussi une réponse rapide ce qui permet d'envisager un fonctionnement à cadence élevée (plusieurs kHz).
La démonstration de l’efficacité du système a été réalisée au sein d’IMPULSE, un laboratoire associant le CEA Saclay et AT sur un laser de type CPA à impulsions ultra-courtes. Les mesures (fig.1 et 2), en très bon accord avec les prévisions de calcul, ont conduit à une variation de la CEP d’environ 1 radian pour une tension de 300V dans le cristal sélectionné (4 cm de long et 4 mm d’épaisseur). Cette méthode a donné lieu à une demande commune de brevet CEA – AT dans le cadre d’IMPULSE et un projet de réalisation d’un prototype laser ultra-bref stabilisé en CEP (boucle lente) utilisant cette méthode électro-optique est en cours d’élaboration.
Notes :
[1] La production d'impulsion femtoseconde par une cavité laser se fait par amplification non linéaire. Une amplification plus forte de la partie la plus intense de l'impulsion a pour effet de raccourcir l'impulsion. Dans ces conditions les différents modes de la cavité laser se stabilisent en phase (mode-locking). et on obtient un fonctionnement impulsionnel dit « en mode bloqué ».
[2] La technique d’amplification à dérive de fréquence consiste à disperser en fréquence l'impulsion afin de l'étirer temporellement, ce qui permet son amplification sans endommager les optiques. L'impulsion subit ensuite une dispersion inverse pour obtenir l'impulsion ultra-brève amplifiée.
[3] Le cristal de LiNbO3 est retenu en raison de son fort coefficient EO, de sa cristallogenèse maîtrisée et de son cout réduit.
Références :
1. Brevet CEA – Amplitude Technologies déposé (décembre 2010).
2. « Effects of carrier-envelope phase differences of few-optical-cycle light pulses in single-shot high-order-harmonic spectra »
M. Nisoli, G. Sansone, S. Stagira, and S. De Silvestri, C. Vozzi, M. Pascolini, L. Poletto, P. Villoresi, and G. Tondello, Phys. Rev. Lett. 91, 213905 (2003)
3. “Carrier-envelope phase control of femtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis”
D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S.Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, , Science 288, 635-639 (2000).
Contacts : O. Gobert1*, M. Comte1, P.M Paul2, J.F Hergott1, O. Tcherbakoff1, F. Lepetit1, M. Perdrix1, D. Guillaumet1, G. Le Chevallier1, P. D'Oliveira1, F. Viala3
1CEA-Saclay, IRAMIS, Service des Photons, Atomes et Molécules, 91191 Gif-sur-Yvette, France
2Amplitude Technologies, 7 rue du Bois Chaland CE 2926 Lisses – 91029 Evry, France
3CEA-Saclay, DPC, Service de chimie physique, 91191 Gif-sur-Yvette, France.
