Méthodes de mesure spatio-temporelles
La génération, la mise en forme et l’utilisation d’impulsions lasers intenses ultracourtes pour des expériences UHI nécessite la connaissance du champ électrique E(x,y,z=z0,t) correspondant au faisceau laser.
L’impossibilité d’écrire le champ sous la forme du produit d’une fonction des variables d’espace par une fonction du temps correspond à la présence de couplages spatio-temporels (STC).
Ces STC ne permettent pas déterminer le champ électrique séquentiellement à partir de mesures « classiques » dans le domaine temporel (ou spectral) suivie d’une mesure dans le domaine spatial.
La recherche de méthodes de mesure du champ électrique complet a été une domaine d’activité intense ces quinze dernières années, recherche à laquelle le laboratoire a participé très activement avec le développement de deux méthodes de mesure TERMITES et INSIGHT.
TERMITES
La méthode TERMITES est basée sur l’utilisation de la spectroscopie à Transformée de Fourier (FTS) combinée à la Point Diffraction Interferometry (PDI) et à une mesure locale du champ dans le domaine temporel/spectral (SPIDER, SRSI, FROG).
INSIGHT
La méthode INSIGHT est basée sur l’utilisation de la spectroscopie à Transformée de Fourier (FTS) combinée à une méthode de détermination de la phase spatiale à partir de la mesure d’intensité dans 3 plans via l’utilisation d’un algorithme itératif de type Gerchberg-Saxton et à une mesure locale du champ dans le domaine temporel/spectral (SPIDER, SRSI, FROG).
INSIGHT « Few Shots »
INSIGHT requiert l’utilisation de nombreuses impulsions pour la réalisation d’une mesure. La réduction du nombre de tirs nécessaire est un impératif pour une utilisation sur des chaines laser UHI à faible taux de répétition. L’utilisation d’un interféromètre basé sur un système biréfringent au lieu d’un Michelson a permis d’améliorer la stabilité et la précision de la mesure et ainsi d’utiliser des méthodes de traitement du signal (sub-sampling) permettant de diminuer très sensiblement le nombre de tirs nécessaires.
Mise en forme d’impulsions
Les études des couplages spatio-temporels menés dans le cadre du laboratoire nous ont conduit à proposer puis démontrer, une méthode, utilisant le chromatisme d’un système focalisant (générant de la courbure du front d’impulsion ou PFC) et la dispersion spectrale (spectral chirp), qui permet de régler la vitesse du maximum d’intensité au voisinage du foyer sur un domaine de Rayleigh étendu.
Ce type de mise en forme spatio-temporelle présente des caractéristiques très intéressantes pour des expériences d’optique non-linéaire, d’interaction laser-plasma (accélération de particules…) comme cela a déjà été démontré.
Publications
- [Akturk 1] S.Akturk, XunGu, Pamela Bowlan and Rick Trebino “Spatio-temporal couplings in ultrashort laser pulses ” J. Opt. 12 (2010) 093001 (20pp)
- [Akturk 2] S. Akturk, X. Gu, P. Gabolde, and R. Trebino, “The general theory of first-order spatio-temporal distortions of Gaussian pulses and beams,” Opt. Express 13, 8642–8661 (2005)
- [Borot] A.Borot and F.Quéré, « Spatio-spectral metrology at focus of ultrashort lasers: a phase-retrieval approach, » Opt. Express 26, 26444-26461 (2018)
- [Dorrer] C.Dorrer “Spatiotemporal Metrology of Broadband Optical Pulses” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 25, no. 4, July/August 2019 3100216
- [Froula1] Froula, D.H., Turnbull, D., Davies, A.S. et al. Spatiotemporal control of laser intensity. Nature Photon 12, 262–265 (2018). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0121-8
- [Froula2] D. H. Froula ; J. P. Palastro ; D. Turnbull ; A. Davies ; L. Nguyen; A. Howard ; D. Ramsey;P. Franke; S.-W. Bahk; I. A. Begishev; R. Boni; J. Bromage; S. Bucht; R. K. Follett; D. Haberberger; G. W. Jenkins ; J. Katz; T. J. Kessler; J. L. Shaw; J. Vieira « Flying focus: Spatial and temporal control of intensity for laser-based applications » Special Collection: Papers from the 60th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics Phys. Plasmas 26, 032109 (2019)
- [Jeandet 1] A.Jeandet et al ” Spatio-temporal structure of a petawatt femtosecond laser beam” J. Phys. Photonics 1 035001 2019
- [Jeandet 2] A.Jeandet, S.Jolly, A.Borot,B.Bussiere, P.Dumont, J.Gautier, O.Gobert,J.P.Goddet, A.Gonsalves, A.Irman, W.Leemans, R.Lopez-Martens, G.Mennerat, K.Nakamura, M.Ouille, G.Pariente, M.Pittman, T.Puschel, F.Sanson, F.Sylla, C. Thaury, K. Zeil, and F.Quere “Survey of spatio-temporal couplings throughout high-power ultrashort lasers” Vol. 30, No. 3 / 31 Jan 2022 / Optics Express 3262
- [Jolly1] S.W. Jolly, O. Gobert and F.Quéré “Spatio-temporal characterization of ultrashort laser beams: a tutorial” J. Opt. 22 103501
- [Jolly 2] S.W.Jolly, O.Gobert, F.Quéré “Spatio-spectral characterization of ultrashort laser pulses with a birefringent delay line”, Vol. 4, No. 7 / 15 July 2021 /OSA Continuum 2044
- [Jolly 3] S.W. Jolly, Olivier Gobert, Antoine Jeandet, and Fabien Quéré, « Controlling the velocity of a femtosecond laser pulse using refractive lenses, » Opt. Express 28, 4888-4897 (2020)
- [Sainte-Marie] A. Sainte-Marie , O. Gobert, and F. Quéré, « Controlling the velocity of ultrashort light pulses in vacuum through spatio-temporal couplings, » Optica 4, 1298-1304 (2017)]