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Univ. Paris-Saclay

Sujet de stage / Master 2 Internship

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Génération d'impulsions attosecondes portant un moment angulaire orbital dans des réseaux transitoires

Spécialité : OPTIQUE / Interaction laser-matière

Contact : RUCHON Thierry,
e-Mail : thierry.ruchon@cea.fr,   Tel : +33 1 69 08 70 10
Laboratoire : LIDYL/ATTO

Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Durée du stage : 0-4 mois
Date limite de constitution de dossier : 31/05/2022

Résumé :
Au cours de ce stage, l'étudiant mettra en place, sur un laser femtoseconde intense, un dispositif interférométrique pour étudier, lors de la génération d'impulsions attosecondes, les couplages entre moment angulaires orbitaux et de spin de la lumière. Ce stage d'expérimentation met en jeu des concepts d'optique non linéaire, d'optique quantique et d'interaction laser matière.

Sujet détaillé :
Résumé
Ces dernières années, la génération d'impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1as=10−18s), a connu des progrès spectaculaires. Ces impulsions ultrabrèves ouvrent de nouvelles perspectives d'exploration de la matière à une échelle de temps jusqu'alors inaccessible. Leur génération repose sur l'interaction très fortement non linéaire d'impulsions laser brèves (10 à 50 femtosecondes) et intenses avec des gaz atomiques ou moléculaires. On produit ainsi les harmoniques d'ordre élevé de la fréquence fondamentale, sur une large gamme spectrale (160-10 nm) couvrant l'extrême ultraviolet (UVX). Dans le domaine temporel, ce rayonnement cohérent se présente comme un train d'impulsions d'une durée de quelques 100 attosecondes [MdF+03]. Une des voies d'application de ces impulsions est leur utilisation dans des schémas pompe-sonde. Un échantillon de gaz ou un solide est porté dans un état excité par une première impulsion IR et une deuxième, l'impulsion attoseconde, vient le sonder à un délai ajustable, moins d'une femtoseconde plus tard. L'impulsion attoseconde ayant un spectre dans l'XUV elle photoionise les échantillons. Il y a donc deux façons de "lire" l'interaction: en analysant le défaut de photons transmis ou réfléchis, ou les photoélectrons émis. Jusqu'à présent, ces techniques ont été utilisées en sondant la matière avec un rayonnement attoseconde polarisé linéairement et présentant un front d'onde à symétrie cylindrique. Récemment, nous avons étendu la gamme de ces expériences en utilisant d'une part des impulsions polarisées circulairement [FHD+15], d'autre part, des impulsions dont le front d'onde est hélicoïdal [GCA+16, GRA+17, CBA+19]. Alors que les premières sont associées à des photons portant un moment angulaire de spin, les secondes correspondent à des photons portant un moment angulaire orbital. Les perspectives sont à la fois appliquées, en particulier à la femtochimie de molécules chirales ou la magnétisation ultrarapide [FBV+21, FPP+21], et fondamentales, en particulier liées aux lois de conservation des moments angulaires dans les processus d'optique non linéaire.

Au cours de ce stage, nous proposons de mettre en place un dispositif optique original permettant de tester les lois de conservation des moments angulaires au cours du phénomène extrêmement non linéaire à la base de la synthèse d'impulsions attosecondes, la génération d'harmoniques d'ordre élevé (GHOE). Celle-ci est maintenant établie pour des faisceaux courts (≃ 25 fs) : l'harmonique q du faisceau généré porte simplement q fois la charge de moment angulaire orbital du faisceau pilote. En revanche, pour des impulsions ultracourtes (≲ 10 fs), le spectre généré devient progressivement continu, faisant apparaitre des harmoniques non entières du faisceau pilote. La question qui se pose est la forme et la distribution en moment du faisceau généré. Nous mettrons en œuvre deux faisceaux femtoseconde intenses, qui se croiseront dans un gaz atomique où aura lieu la GHOE. À cet endroit, les deux faisceaux formeront un réseau transitoire dont nous varierons l'épaisseur et la profondeur. Chacun des deux faisceaux pourra porter un moment angulaire de spin et/ou un moment angulaire orbital, ajustable rapidement. Le diagnostic de l'interaction se fera à la fois par polarimétrie du rayonnement XUV, et par mesure du moment angulaire orbital par interférométrie. Outre les aspects fondamentaux mis en jeu, la mise au point de cette technique ouvrira des champs d'explorations nouveaux comme par exemple l'étude de birefringences ou dichroïsmes transitoires attosecondes qui donneront une nouvelle image des processus à l'œuvre dans des systèmes asymétriques à cette échelle de temps. Ce stage sera effectué sur les lasers FAB1 & 10 d'Attolab

Compétences développées
Le ou la stagiaire acquerra une pratique de l'optique des lasers femtoseconde et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il ou elle étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmonique d'ordre élevé. Finalement des développements théoriques pourront également être inclus selon les goûts du ou de la candidat(e). La poursuite en thèse est possible après un M2.

Compétences requises
Des compétences en optique, physique atomique et moléculaires seront appréciées pour un stage de M2.

Références :
[CBA+19] Chappuis, C. et al., 2019. Physical Review A, 99(3). ¬10.1103/¬physreva.99.033806
[FBV+21] Fanciulli, M. et al., 2021. Physical Review A, 103(1). ¬10.1103/-physreva.103.013501
[FHD+15] Ferré, A. et al., 2015. Nature Photonics, 9, 93. ¬10.1038/¬nphoton.2014.314
[FPP+21] Fanciulli, M. et al., 2021. Observation of magnetic helicoidal dichroism with extreme ultraviolet light vortices. arxiv.org/¬abs/¬2103.13697
[GCA+16] Géneaux, R. et al., 2016. Nature Communications, 7, 12583. ¬10.1038/-ncomms12583
[GRA+17] Gauthier, D. et al., 2017. Nature Communications, 8, 14971. 10.1038/-ncomms14971
[MdF+03] Mairesse, Y. et al., 2003. Science, 302(5650), 1540. ¬10.1126/¬science.1090277
Techniques utilisées au cours du stage :
Laser femtoseconde, Optiques XUV Méthodes de caractérisation temporelles d'impulsions brèves Post-compression d'impulsions lumineuses

Mots clés : Physique attoseconde, magnéto-optique

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