La première démonstration du laser en 1960 fut rapidement suivie par la naissance d’un nouveau domaine de recherche : l’optique non linéaire. Les propriétés de cohérence uniques de l’émission stimulée, le processus physique fondamental du rayonnement laser, ont permis des intensités qui dépassent celles des sources incohérentes de plusieurs ordres de grandeur. Les hautes intensités entraînent si fortement les électrons qu’ils oscillent avec des fréquences différentes de celles du champ lumineux d’entraînement. L’émission dipolaire subséquente peut être extrêmement colorée. Des fibres optiques ou des filaments laser sont utilisés comme guides d’ondes depuis des décennies pour maximiser cet effet et générer des impulsions lumineuses extrêmement larges.
Cependant, si les impulsions laser transportent trop d’énergie, la fibre subit des dommages et la rupture des filaments lumineux, de sorte que les propriétés spatiales uniques du rayonnement laser sont perdues. Des chercheurs de l’Electron-Synchrotron allemand DESY à Hambourg, en Allemagne, et de l’Institut Helmholtz d’Iéna, en Allemagne, ont maintenant rapporté une nouvelle méthode pour guider la lumière d’une manière évolutive en énergie. Le guidage est réalisé par l’utilisation de deux miroirs de refocalisation et l’espacement soigneux de fines fenêtres en verre non linéaires.
Les scientifiques ont rapporté dans une publication récente dans Science ultrarapide que les impulsions lumineuses gagnent plus de 30 fois leur bande passante initiale dans une telle configuration et peuvent donc être compressées par le même facteur. Cela raccourcit leur durée et augmente considérablement leur puissance de crête. Remarquablement, ces expériences ont été réalisées avec des impulsions laser qui dépassent la limite de puissance de crête dans les fibres de verre d’un facteur 40. Cependant, malgré la propagation à travers environ 40 cm de verre au total, la qualité du faisceau et l’énergie des impulsions sont restées élevées. « Nous avons élégamment combiné deux approches récentes pour étendre la bande passante des impulsions ultracourtes. Néanmoins, la configuration optique est vraiment simple. Toutes les optiques que nous avons utilisées dans notre schéma d’élargissement spectral étaient des articles en stock. Ceci et les excellentes propriétés de bruit rendent notre approche largement applicable, » déclare le Dr Marcus Seidel, auteur principal de la publication.
Le Dr Christoph Heyl, chef de groupe junior à DESY et à l’Institut Helmholtz d’Iéna, ajoute qu' »il existe une tendance claire dans la technologie laser ultrarapide vers des sources de puissance moyenne élevées qui ne peuvent souvent délivrer que des impulsions d’une durée de l’ordre de la picoseconde. Notre méthode présente une énergie -, une approche efficace en termes de taille et de coût pour transformer ces lasers en sources pulsées d’une durée de seulement quelques dizaines de femtosecondes avec des gigawatts de puissance de crête. »
Le régime femtoseconde est l’échelle de temps du mouvement moléculaire qui peut être suivi et manipulé avec des impulsions ultracourtes. De plus, les impulsions femtosecondes sont trop rapides pour permettre la génération de chaleur après ionisation. Ceci est largement exploité dans le traitement des matériaux au laser. L’approche par compression d’impulsions est utilisée dans l’installation de laser à électrons libres FLASH de DESY depuis plusieurs mois déjà. Il a permis aux scientifiques de prendre des instantanés précis de la dynamique moléculaire dans de nouveaux matériaux quantiques.
« Les utilisateurs de nos installations en ont été très satisfaits », déclare le Dr Seidel et se tourne vers l’avenir : « Nous serions ravis, bien sûr, si cette technologie permettait des expériences scientifiques de pointe à DESY et dans de nombreux autres instituts à travers le monde. »
L’équipe du Dr Heyl a récemment publié des simulations qui montrent l’extension de l’approche démontrée aux puissances de crête du térawatt et aux énergies d’impulsion au niveau du joule. La mise en œuvre d’une telle expérience d’augmentation de l’énergie ouvrira la porte à des applications entièrement nouvelles.
« L’élargissement spectral et la compression d’impulsions ont été identifiés comme les méthodes clés pour faire progresser la physique des champs forts par le lauréat du prix Nobel 2018 Gérard Mourou », déclare le Dr Heyl. « Grâce à la nouvelle technologie, sa prédiction pourrait prendre forme. Nous mettons déjà en place un premier accélérateur de particules compact multi-passes à base de cellules dans nos laboratoires. Nous nous attendons à ce que le concept ait également un impact sur la radiothérapie future et peut-être même sur le laser. basée sur la fusion. »
Marcus Seidel et al, Factor 30 Pulse Compression by Hybrid Multipass Multiplate Spectral Broadening, Science ultrarapide (2022). DOI : 10.34133/2022/9754919
Fourni par Ultrafast Science