Introduction à l'optique non-linéaire, qui correspond au régime d'interaction laser-matière que l'on peut explorer à l'aide de lasers intenses, comme par exemple les lasers femtosecondes.
Systèmes amplifiés (1/2)
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非线性光学
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Lasers femtosecondes
Ce dernier chapitre introduit le phénomène à l’origine du fonctionnement stationnaire d’un laser femtoseconde, qui est un effet de type soliton permettant une compensation parfaite entre la dispersion de vitesse de groupe et l’effet Kerr optique. Les applications en métrologie à l’aide de peignes de fréquences seront également évoquées, de même que l’amplification à dérive de fréquence.
與講師見面
Manuel JoffreDR CNRS et Professeur associé à l'Ecole polytechnique
Département de Physique
Vincent KemlinChargé d'enseignement à l'Ecole polytechnique
Physics
Alors, évidemment ça c’est pas le mode de fonctionnement qui va
nous intéresser puisque là vous voyez que l’énergie augmente dans la cavité puis va
re-décroître en raison des pertes résiduelles de la cavité régénérative.
Ce qu’on va faire c’est que, on va, euh, lorsqu’on a suffisamment d’énergie dans la
cavité, on va effectuer une deuxième marche sur la
tension appliquée à la cellule de Pockels, donc de même hauteur que la première,
ce qui veut dire que, à cet instant-là, on va rajouter un déphasage ou une différence
de chemin optique supplémentaire qui va à nouveau être de lambda sur quatre.
Ce dispositif-là va se comporter comme une lame biréfringente quart-d'onde mais
comme on fait un aller-retour, on aura une lame biréfringente demi-onde.
Donc à nouveau si on applique cette marche au moment où l’impulsion se trouve à cet
endroit-là et bien le, le, quand l’impulsion va arriver ici,
le, la tension sera bien établie dans la cellule de Pockels, et donc elle va
subir une différence de marge de lambda sur deux, donc la polarisation va tourner,
ici elle était horizontale, après un aller-retour elle va être verticale et,
l’impulsion va sortir, ici, de la cavité régénérative.
Si on regarde au niveau de la fuite et bien voilà ce qu’on obtient : on
voit évidemment que l’énergie qui était stockée dans la cavité a complètement
disparue puisqu’elle est sortie, par, par ce polariseur et
pourra donc être utilisée euh, pour la suite du dispositif, c’est-à-dire le
compresseur qui permet de restituer, euh, une impulsion brève et énergétique.
Donc ce système-là, qu’on a dans notre laboratoire,
fournit des impulsions de quelques millijoules avec des durées d’impulsions
inférieures à cent femtosecondes et un taux de répétition de un kilohertz.
Donc ça correspond à des, à des puissances crêtes ; si vous regardez un millijoule,
par exemple, divisé par cent femtosecondes ça fait dix puissance dix watts en
puissance crête ou dix gigawatts ; donc vous voyez que c’est,
c’est un ordre de grandeur haut dessus d’une,
d'une centrale électrique, d’une grosse centrale électrique classique.
Et évidemment cette puissance considérable ne peut être obtenue que parce que
elle est maintenue pendant un intervalle de temps très très bref ; donc de
l’ordre de cent femtosecondes.
Et il y a des systèmes lasers beaucoup plus grands que celui que, qu’on a ici,
euh, qui sont capables de produire des impulsions dont les puissances crêtes sont
de l’ordre du petawatt et il y a des systèmes en construction, euh,
avec des puissances crêtes encore dix fois supérieures pour étudier la
matière dans des conditions extrêmes.
Voilà, donc pour conclure je voudrais donc rappeler qu’évidemment avec
de telles puissances crêtes il est très facilement possible d’obtenir tous les
effets non linéaires dont on vous a parlé tout au long de ce cours et donc pour
faire un bref, un bref rappel, partant de notre source laser à 800 nanomètres,
puisque c’est la longueur d’onde de,
où le titane saphir fonctionne de la manière la plus efficace.
Donc partant d’une source primaire à 800 nanomètres,
il va être possible d’obtenir des longueurs d’ondes très différentes.
Par exemple, par doublage de fréquence on va obtenir du 400 nanomètre.
Je mets ici SHG pour Second Harmony Generation.
Euh, on va également être capable, avec un
système d’amplificateur paramétrique optique, d’amplifier un continuum spectral
qui lui va couvrir l’ensemble du spectre visible et de l’infrarouge.
Donc de cette manière-là on va pouvoir,
donc avec ces systèmes qu’on appelle OPA pour Optical Parametric Amplifier,
comme celui que vous avez visité au laboratoire d’optique et biosciences,
on va être capable de couvrir le domaine du proche infrarouge.
Si on utilise un OPA qui est pompé non pas à 800 nanomètres mais à 400 nanomètres on
va pouvoir facilement couvrir le domaine, le domaine du visible.
Ensuite, bah, on peut en utilisant la différence de fréquence entre signal et
complémentaire on va pouvoir, euh, atteindre donc,
par différence de fréquence, hein, Difference Frequency Generation,
on va pouvoir couvrir le domaine de l’infrarouge moyen.
Il existe également des méthodes pour aller directement dans le domaine des
micro-ondes par un processus qu’on appelle le redressement optique ou alors par,
avec des commutateurs photoconducteur.
Et, et, donc, vous voyez que de cette manière-là on va couvrir l’ensemble de la
partie infrarouge du spectre électromagnétique en partant du visible,
mais on peut également faire la même chose dans la direction de l’ultraviolet ; il y
a un phénomène qui s’appelle la génération d’harmoniques d’ordre élevé qui va
permettre dans un, dans un gaz de produire toute une série d’harmoniques, hein,
pas seulement la seconde harmonique mais des harmoniques jusqu’à l’harmonique 100
ou 200 et de cette manière-là on va pouvoir couvrir le domaine de
l’ultraviolet ou de l’ultraviolet extrême.
Donc ça c’est le phénomène de High Harmonic Generation,
qui repose en fait sur le fait que l’effet tunnel dans, dans,
dans les atomes est un phénomène extrêmement non linéaire et donc va
pouvoir produire des impulsions extrêmement brèves,
des impulsions attosecondes et donc qui vont couvrir un spectre très, très large.
Et on peut même par des, diverses techniques aller jusque,
jusqu’au domaine des, des rayons x, voir des rayons gamma.
Donc vous voyez qu’avec une source primaire comme celle que je
vous ai décrite, utilisant l’amplification dérive de fréquence,
et un amplificateur régénératif, voir des systèmes ensuite,
des étages ultérieurs d’amplification et bien on est capable de,
produire des impulsions électromagnétiques sur l’ensemble du spectre.
Donc vous voyez que ce cours finalement se termine sur la même image avec laquelle
on avait commencé ; on était parti des équations de, des équations de Maxwell.
Je vous rappelle Maxwell qui avait fait l’unification entre, au niveau
théorique évidemment, entre les phénomènes électriques magnétiques d’induction pour
montrer que tout ça pouvait être décrit dans un formalisme unique,
donc dans ce travail d’unification euh, absolument remarquable.
Maxwell avait calculé qu’il devait y avoir des ondes électromagnétiques et
que ces ondes se propageraient à la vitesse, qui était connue, de la
lumière ; il en a donc conclut que la lumière était une onde électromagnétique.
Et bien, finalement, ce que vous voyez ici,
c’est, le versant expérimental de cette unification théorique de Maxwell.
Maintenant, on peut avoir un système euh, unique qui, comme ces lasers amplifiés,
qui grâce à l’optique non linéaire vont permettre de couvrir l’ensemble du
spectre électromagnétique, 150 ans après Maxwell.
