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Posté par Redbran le Jeudi 11/05/2017 à 00:00
Vortex optiques à ultra-haute intensité et dans le domaine XUV
Les vortex optiques sont des faisceaux de lumière à plan d'onde hélicoïdaux porteurs de moment angulaire orbital (OAM), comme le montre leur capacité à induire un mouvement de rotation de la matière. De par leurs propriétés étonnantes (phase en spirale et intensité distribuée en anneau), ces faisceaux ont d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour les 8 gestionnaires du secteurs mixte en région...) et déjà ouvert la voie à de nouvelles applications (spectroscopie, microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des...), manipulations optiques...) dans les domaines du visible et de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus...), que l'on cherche naturellement à étendre dans le domaine X-UV.

Les lasers possédant de l'OAM suscitent un intérêt croissant dans la communauté des faisceaux laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) ultra-hautes intensités (UHI), puisqu'ils offrent de nouveaux moyens de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) des interactions avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière...): le transfert d'OAM à un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les...) modifie profondément la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) des interactions lumière-matière et apporte de nouvelles possibilités sur les deux grandes applications des faisceaux UHI: la production de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique ou vibratoire (par exemple en électricité : les « courants harmoniques », qui sont des perturbations du...) XUV et la production de faisceaux ultrabrefs de particules de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

Dans ce domaine, si un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'études théoriques ont été réalisées sur le sujet, aucune expérience n'avait encore démontré ces effets pour les très hautes intensités (I > 1016 W/cm2), étant donné la difficulté de produire un faisceau laser large et intense avec un front d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) hélicoïdal. Une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) du LIDYL vient de montrer, sur l'installation laser UHI100, qu'il est possible de générer des impulsions lasers porteuses de moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment angulaire dépend du choix de l'origine (ainsi...) orbital et de transférer ce moment à un faisceau d'harmoniques générées sur miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée,...) plasma pour des intensités supérieures à 1019 W/cm². Ces travaux font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) de deux publications dans Physical Review Letters [1] et Nature Physics [2].


Vortex optique: Après la traversée d'une lame de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) hélicoïdale, le faisceau laser est porteur de moment angulaire.

Dès l'avènement du laser, les physiciens ont su modifier les caractéristiques, notamment la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour...), du faisceau de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...). Aujourd'hui de nouvelles possibilités s'ouvrent avec la possibilité de façonner spatialement les plans d'ondes ainsi que le profil temporel des impulsions. Il est ainsi possible aujourd'hui de réaliser un faisceau de lumière capable de transporter du moment angulaire orbital (OAM). De tels faisceaux sont caractérisés par des fronts de phase hélicoïdaux, ce qui implique une structure en anneau avec une intensité nulle sur l'axe de propagation [3]. En éclairant un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) ou un plasma, de tels faisceaux sont capables de transférer leur moment orbital à la matière et de générer un vortex de matière.

Les propriétés uniques de ces vortex optiques ont d'ores et déjà trouvé de nombreuses applications dans les domaines du visible et de l'infrarouge, allant de la manipulation optique à la microscopie haute-résolution, en passant par les communications optiques. L'extension au domaine X-UV de l'utilisation de tels faisceaux, doit permettre d'atteindre de meilleures résolutions spatiales combinées à des résolutions temporelles attosecondes. Ils sont aussi nécessaires pour permettre de nouvelles spectroscopies originales, telles que le dichroïsme hélicoïdal pour l'étude des propriétés magnétiques et optiques de la matière condensée, avec de nombreuses applications dans l'analyse d'échantillons biologiques, ou le traitement de l'information quantique.


Principe de la génération d'impulsions UHI et harmoniques porteuses de moment angulaire: (a) les interférences entre deux pré-impulsions, dont l'une traverse une lame de phase en spirale, génèrent un plasma structuré, dont les franges présentent une structure en fourchette (b). (c) La diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être...) du faisceau ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT),...) intense sur un tel plasma produit un faisceau UHI ainsi que des harmoniques porteur d'OAM.

Ces faisceaux lasers possédant de l'OAM suscitent un intérêt croissant dans la communauté des ultra-hautes intensités. Leurs propriétés fournissent en effet de nouveaux moyens de contrôle des interactions lumière-matière: comme l'ont montré un grand nombre d'études théoriques, le transfert d'OAM à un plasma modifie profondément la physique des interactions lumière-matière et apporte de nouvelles propriétés au rayonnement harmonique ainsi qu'aux sources de particules générées. Cependant, aucune expérience n'avait encore permis d'observer ces effets à très haute intensité, du fait de la difficulté d'induire un front d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) hélicoïdal pour un faisceau laser très intense, et donc nécessairement de grande section.

Les expériences réalisées sur l'installation laser UHI100 sont ainsi une première dans le domaine. Pour ceci, une lame de phase hélicoïdale, réalisée sur mesure, est insérée dans le parcours d'un faisceau laser infrarouge ultra-intense collimaté, pour y produire de la vorticité. L'objectif a ensuite été d'étudier les harmoniques, générées par interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec une lame de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice...) utilisée en miroir plasma. Dans une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) étude, une nouvelle méthode, basée sur l'holographie (L'holographie du visible est un procédé de photographie en trois dimensions utilisant les propriétés de la lumière cohérente issue des lasers. Le mot holographie vient du grec holos...) [2] et s'affranchissant des contraintes imposées par l'utilisation d'une lame hélicoïdale, a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la...) pour fournir de l'OAM au faisceau laser les plus intenses.

Le premier résultat obtenu est que le faisceau IR UHI et ses harmoniques XUV présentent un profil spatial avec une structure annulaire, caractéristique d'un vortex laser. Il est donc possible de faire porter un moment angulaire orbital au faisceau laser infra-rouge incident ultra-intense et de le transférer aux harmoniques d'ordre élevé. Ceci a pu être obtenu sur toute la gamme d'intensité, depuis les faibles éclairements (mécanisme d'émission cohérente de sillage - CWE), jusqu'aux intensités laser supérieures à 1019 W/cm (mécanisme du miroir oscillant relativiste - ROM).


Au centre: mesure de la diffraction du faisceau UHI sur le plasma: en haut, sur un plasma simplement structuré (sans lame de phase) et en bas, sur un plasma structuré en fourchette en plaçant une lame de phase sur le trajet d'une des impulsions. À droite: mesure similaire en séparant les harmoniques. L'ensemble des faisceaux présente une distribution d'intensité en anneau, caractéristique de faisceaux porteurs d'OAM.

Par une méthode interférométrique, la phase hélicoïdale de chaque harmonique a pu être mesurée. On observe que la loi de conservation (En physique, une loi de conservation (rien ne se perd, rien ne se crée) exprime qu'une propriété mesurable particulière d'un système physique isolé reste constante au cours de...) de l'OAM, à savoir que chaque harmonique porte un moment orbital égal au produit de son ordre par le moment orbital porté par le laser est ici bien satisfaite. La vérification de cette loi de conservation était d'autant plus importante qu'elle avait porté à controverse lors d'expériences réalisées avec des harmoniques générées dans les gaz, à plus faibles intensités [4, 5, 6].

Cependant la technique utilisée, reste difficilement transposable à des lasers plus intenses, de type pétawatt, car elle nécessite des optiques épaisses et de grande taille . Dans une seconde étude, une nouvelle méthode, basée sur l'holographie [ 6], a été développée pour fournir de l'OAM au faisceau laser ultra-intense ainsi qu'aux harmoniques XUV générées. Cette technique, permise par l'excellent contraste d'intensité des impulsions laser utilisées (> 1012) s'appuie sur la méthode du miroir plasma: une pré-impulsion laser génère un plasma structuré, sur lequel l'impulsion principale de ultra-haute intensité est diffractée. Pour fournir de l'OAM au faisceau diffracté, ce n'est plus une mais deux pré-impulsions qui sont utilisées, l'une traversant une petite lame de phase spirale. Un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) plasma en forme de fourchette a alors obtenu. L'étude montre que les ordres diffractés du faisceau laser ultra-intense sur un tel réseau, ainsi que ceux des harmoniques générées, possèdent bien de l'OAM.

Cette nouvelle méthode holographique se révèle particulièrement intéressante pour manipuler et mettre en forme tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) type de faisceaux laser ultra-intenses, puisqu'elle présente l'énorme avantage de pouvoir soutenir des intensités considérables et de ne pas nécessiter d'optiques de grandes tailles adaptées aux faisceaux UHI. Ces résultats ouvrent toutes les applications de ces faisceaux porteurs d'OAM au domaine UHI.

Références:
[1] Interaction of ultraintense laser vortices with plasma mirrors”
A. Denoeud, L. Chopineau, A. Leblanc, and F. Quéré, Phys. Rev. Lett. 118, 033902 (2017).
[2] Plasma holograms for ultrahigh-intensity optics
A. Leblanc, A. Denoeud, L. Chopineau, G. Mennerat, Ph. Martin and F. Quéré, Nature Physics, Vol. advance (Advance est un constructeur informatique.) online publication (2017).
[3] Orbital angular momentum: origins, behavior and applications
A. M. Yao, and M. J. Padgett, Adv. Opt. Photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...). 3, 161 (2011).
[4] Strong-field physics with singular light beams
M. Zürch, C. Kern, P. Hansinger, A. Dreischuh, and C. Spielmann, Nature Physics 8, 743 (2012).
[5] Creating High-Harmonic Beams with Controlled Orbital Angular Momentum
G. Gariepy, J. Leach, K. Taec Kim, T. J. Hammond, E. Frumker, R. W. Boyd, and P. B. Corkum,
Phys. Rev. Lett. 113, 153901 (2014).
[6] Synthesis and characterization of attosecond light vortices in the extreme ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des...)
R. Géneaux, A. Camper, T. Auguste, O. Gobert, J. Caillat, R. Taïeb and T. Ruchon, Nature Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la...) 7, 12583 (2016).

Contacts CEA-IRAMIS:
Fabien Quéré et Adrien Denoeud (IRAMIS/LIDYL-PHI).

Collaboration:
Adrien Denoeud, Ludovic Chopineau, Adrien Leblanc, Gabriel Mennerat, Philippe Martin, Fabien Quéré – CEA-IRAMIS/LIDYL

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Source et illustrations: CEA-IRAMIS