Focaliser sans optique la lumière XUV
Publié par Redbran le 08/07/2019 à 14:00
Source: CNRS INP
La lumière XUV, dont la gamme de longueur d'onde est située entre l'ultra-violet et les rayons X, permet de produire des impulsions attosecondes (1 as = 10^-18 s) et a permis d'ouvrir le domaine de l'attophysique. Des physiciens ont montré qu'il est possible de contrôler finement les caractéristiques spatiales de ces faisceaux XUV, et les focaliser sans utiliser d'optiques.


Schéma de principe de l'expérience. Un laser intense (à droite) est focalisé dans un jet de 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...) et leur 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.) non linéaire conduit à l'émission d'harmoniques d'ordres élevés. Les harmoniques sont analysées par un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un...) XUV (au centre) à résolution spatiale permettant de mesurer la divergence de chaque faisceau 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...) (à gauche) en fonction de la position du jet.
© ILM (CNRS/Univ. Lyon 1) / F. Catoire et E. Constant

Les faisceaux 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 780nm (rouge). La lumière est...) XUV obtenus par génération d'harmoniques d'ordres élevés dans les gaz permettent d'obtenir des impulsions attosecondes (10-18 s), grâce à leur grande largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un rectangle, l'autre mesure...) spectrale et à la cohérence temporelle du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.). Cette cohérence permet aux différents ordres harmoniques d'interférer dans le domaine temporel. Il en résulte des interférences constructives uniquement pendant un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) très court, d'où la production d'impulsions attosecondes. La mesure des phases spectrales harmoniques relatives est assez bien 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 famille des droites normales à la...) mais peu d'attention a été portée aux profils spatiaux de ces radiations XUV. Or, si les radiations ont des profils spatiaux différents, elles ne se recouvrent que partiellement. De fait, le profil temporel des impulsions est modifié en limitant les possibilités d'interférences, qui deviennent moins marquées et changeantes dans l'espace.

Dans ce travail expérimental et théorique, des chercheurs de Centre de laser intenses et applications (CELIA, CNRS/CEA/Univ. Bordeaux) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) lumière 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 occupe...) (ILM, CNRS/Univ. Lyon 1) ont étudié les profils spatiaux des harmoniques d'ordres élevés générés par la propagation d'un laser femtoseconde intense dans des gaz, et mis en évidence les paramètres qui permettent de contrôler ces faisceaux XUV. Ils ont montré qu'il est possible de contrôler finement les conditions de production du faisceau afin d'obtenir des rayonnements XUV avec un front d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière....) convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ). Un tel front permet de focaliser les rayonnements XUV large bande sans utiliser d'optiques XUV, qui ont une efficacité limitée dans cette gamme spectrale.

Ces résultats sont nouveaux car les scientifiques considèrent habituellement que tous les faisceaux XUV ont le même profil spatial et qu'ils sont divergents après leurs productions. Contrôler les propriétés spatiales de ces faisceaux permet de refocaliser toutes les harmoniques en un même point (Graphie) et d'obtenir simultanément une focalisation dans le domaine temporel (impulsions attosecondes) et dans le domaine spatial augmentant de manière notable les intensités XUV accessibles.

Pour leurs expériences, les scientifiques ont bénéficié d'un système laser femtoseconde Titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) Saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement le rubis. Le saphir est une pierre précieuse) (800 nm) disposant d'une forte 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.) par impulsion, un profil spatial du laser quasi Gaussien et un front d'onde laser corrigé à un centième de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme...) d'onde grâce à un 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,...) déformable développé spécifiquement pour les lasers intenses. Grâce à ce dispositif, ils ont généré des harmoniques d'ordres élevés dans un jet de néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.) et ont étudié le profil spatial des faisceaux harmoniques.

La stabilité du système a permis de jouer sur les conditions de génération des harmoniques et de confronter les résultats expérimentaux à un modèle analytique que les chercheurs ont développé. Ceux-ci ont pu ainsi faire ressortir les paramètres cruciaux permettant de contrôler les faisceaux XUV. Ces simulations ont montré qu'il est possible de focaliser les radiations XUV sans optiques dans des conditions spécifiques. Les scientifiques ont pu réaliser ces conditions et mettre en évidence la focalisation des radiations XUV.

Contrôler les faisceaux XUV permettra de gommer les différences entre les faisceaux des différents ordres harmoniques, afin d'obtenir des impulsions attosecondes large bande avec des intensités XUV élevées. Cela facilitera la réalisation d'expériences en régime non linéaire avec l'XUV et permettra de suivre des dynamiques attosecondes sans perturber cette dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) avec un laser intense, comme cela est fait actuellement.

Référence:
Optics-less focusing of XUV high-order harmonics,
L. Quintard, V. Strelkov, J. Vabek, O. Hort, A. Dubrouil, D. Descanmps, F. Burgy, C. Péjot, E. Mével, F. Catoire et E. Constant,
Science Advances, le 5 avril 2019. DOI: 10.1126/sciadv.aau7175.

Contact chercheur:
- Eric Constant - Directeur 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...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à l'ILM, eric.constant at univ-lyon1.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) INP, inp.com at cnrs.fr
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