Un double boost pour le balayage à retard optique

Diverses applications de sources laser pulsées reposent sur la capacité à produire une série de paires d’impulsions avec un retard progressif croissant entre elles. La mise en œuvre d’un tel balayage de retard optique avec une grande précision est exigeante, en particulier pour les longs retards. Pour relever ce défi, les physiciens de l’ETH ont développé un laser polyvalent à « double peigne » qui combine une large plage de balayage avec une puissance élevée, un faible bruit, un fonctionnement stable et une facilité d’utilisation, offrant ainsi de belles perspectives d’utilisations pratiques.

La technologie laser ultrarapide a permis une mine de méthodes pour des mesures de précision. Celles-ci incluent en particulier une large classe d’expériences de laser pulsé dans lesquelles un échantillon est excité et, après un laps de temps variable, la réponse est mesurée. Dans de telles études, le délai entre les deux impulsions devrait généralement couvrir la plage allant des femtosecondes aux nanosecondes.

En pratique, balayer le temps de retard sur une plage aussi large de manière reproductible et précise est un défi important. Une équipe de chercheurs du groupe du professeur Ursula Keller à l’Institut d’électronique quantique, avec les principales contributions du Dr Justinas Pupeikis, du Dr Benjamin Willenberg et du Dr Christopher Phillips, a maintenant franchi une étape majeure vers une solution qui a le potentiel de changer la donne pour un large éventail d’applications pratiques.

Écrire dans Optiqueils ont récemment introduit et démontré une conception laser polyvalente qui offre à la fois des spécifications exceptionnelles et une configuration peu complexe qui fonctionne de manière stable pendant de nombreuses heures.

Le long chemin vers de longs retards

La solution conceptuellement la plus simple pour balayer les retards optiques est basée sur un laser dont la sortie est divisée en deux impulsions. Pendant que l’un d’eux emprunte un itinéraire fixe vers la cible, le chemin optique de la deuxième impulsion est varié avec des miroirs à déplacement linéaire. Plus le chemin entre les miroirs est long, plus l’impulsion laser arrive tardivement sur la cible et plus le retard par rapport à la première impulsion est long.

Le problème, cependant, est que la lumière se déplace à une vitesse notoirement élevée, couvrant environ 0,3 mètre par nanoseconde (dans l’air). Pour les lignes à retard mécaniques, cela signifie que le balayage jusqu’à plusieurs nanosecondes nécessite de grands dispositifs avec des constructions mécaniques complexes et généralement lentes.

Une manière élégante d’éviter les constructions complexes de ce type consiste à utiliser une paire de lasers à impulsions ultracourtes qui émettent des trains d’impulsions, chacun à des taux de répétition légèrement différents. Si, par exemple, les premières impulsions sortant de chacun des lasers sont parfaitement synchronisées, alors la deuxième paire a un retard entre les impulsions qui correspond à la différence des temps de répétition des deux lasers.

La prochaine paire d’impulsions a deux fois ce délai entre elles, et ainsi de suite. De cette manière, un balayage parfaitement linéaire et rapide des retards optiques sans pièces mobiles est possible, du moins en théorie. Le type le plus raffiné d’un système laser générant deux de ces trains d’impulsions est connu sous le nom de double peigne, en référence à la structure spectrale de la sortie consistant en une paire de peignes de fréquence optique.

Alors que la promesse de l’approche à double peigne est claire depuis longtemps, les progrès vers les applications ont été entravés par des défis liés à la conception d’un système laser facilement déployable qui fournit deux peignes fonctionnant simultanément de la qualité requise et avec une stabilité relative élevée. Maintenant, Pupeikis et al. a fait une percée vers un laser aussi pratique, et la clé est une nouvelle façon de générer les deux peignes de fréquence dans une seule et même cavité laser.

Deux d’un

La tâche que les chercheurs avaient à accomplir était de construire une source laser composée de deux trains d’impulsions optiques cohérents qui sont fondamentalement identiques dans toutes les propriétés, à l’exception de cette différence très importante dans le taux de répétition. Une voie naturelle pour y parvenir consiste à créer les deux peignes dans la même cavité laser.

Diverses approches pour réaliser un tel multiplexage laser-cavité ont été introduites dans le passé. Mais ceux-ci nécessitent généralement que des composants supplémentaires soient placés à l’intérieur de la cavité. Cela introduit des pertes et des caractéristiques de dispersion différentes pour les deux peignes, entre autres problèmes. Les physiciens de l’ETH ont surmonté ces problèmes tout en s’assurant que les deux peignes partagent tous les composants à l’intérieur de la cavité.

Ils y sont parvenus en insérant dans la cavité un « biprisme », un dispositif avec deux angles séparés sur la surface à partir de laquelle la lumière est réfléchie. Le biprisme divise le mode de la cavité en deux parties, et les chercheurs montrent que par une conception appropriée de la cavité optique, les deux peignes peuvent être spatialement séparés sur les composants actifs de l’intracavité tout en empruntant un chemin très similaire par ailleurs.

Par « composants actifs », on entend ici le milieu amplificateur, où l’effet laser est induit, et l’élément dit SESAM (miroir absorbant saturable à semi-conducteur), qui permet le verrouillage de mode et la génération d’impulsions. La séparation spatiale des modes à ces étapes signifie que deux peignes avec un espacement distinct peuvent être générés, tandis que la plupart des autres propriétés sont essentiellement dupliquées. En particulier, les deux peignes ont un bruit de synchronisation hautement corrélé.

C’est-à-dire que si des imperfections dans la structure du peigne temporel sont inévitablement présentes, elles sont quasiment les mêmes pour les deux peignes, ce qui permet de faire face à un tel bruit.

Une porte vers des applications pratiques

Une caractéristique remarquable de la nouvelle architecture à cavité unique maintenant introduite est qu’elle ne nécessite pas de compromis dans la conception du laser. Au lieu de cela, les architectures de cavité qui sont optimales pour un fonctionnement à un seul peigne peuvent être facilement adaptées pour une utilisation à deux peignes. Avec cela, la nouvelle conception représente également une simplification majeure par rapport aux produits commerciaux et ouvre la voie à la production et au déploiement de cette nouvelle classe de sources laser ultrarapides.

Les benchmarks atteints lors des premières démonstrations sont très encourageants. Les chercheurs ont scanné un retard optique de 12,5 ns (équivalent à une distance de 3,75 m dans l’air) avec une précision de 2 fs (moins d’un micromètre de distance physique) à des fréquences allant jusqu’à 500 Hz et avec une stabilité record pour un laser à double peigne à cavité unique.

Les performances obtenues, y compris la puissance élevée de plus de 2,4 W pour chaque peigne, les courtes durées d’impulsion inférieures à 140 fs et le couplage démontré à un oscillateur paramétrique optique (OPO) pour convertir la lumière en un régime de longueur d’onde différent, soulignent le potentiel pratique de l’approche pour un large spectre de mesures, de la télémétrie optique de précision (la mesure optique de la distance absolue) à la spectroscopie d’absorption à haute résolution et à la spectroscopie non linéaire pour l’échantillonnage de phénomènes ultrarapides.