Un nouveau laser à plan d'onde hélicoïdal

Des impulsions lasers harmoniques X-UV attosecondes porteuses d'un moment angulaire orbital.

Une collaboration de physiciens incluant le groupe "Attophysique" de l'Iramis/Lidyl (UMR CEA-CNRS) a réussi à générer et caractériser des impulsions lumineuses harmoniques attosecondes, porteuses d'un moment angulaire orbital, dans la gamme des longueurs d'ondes X-UV. De tels faisceaux permettraient de nombreuses applications comme l'analyse d'échantillons biologiques ou de la surface des matériaux. Ce travail a fait l'objet d'une publication dans Nature Communications.?

Des particules ou des objets peuvent être accélérés par interaction avec la lumière, qui possède donc une impulsion intrinsèque. De même certains faisceaux laser, dont le plan d'onde est hélicoïdal, peuvent mettre en rotation autour de l'axe du faisceau de tels objets. Ces faisceaux sont donc porteurs d'un moment angulaire orbital (MAO) et leur interaction avec la matière est bien spécifique.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé (>> 10) peut être obtenue en focalisant un faisceau laser très intense (1014 W/cm2) dans un jet de gaz. Par cette méthode, l'équipe a réussi à produire et analyser des impulsions lasers de durée femtoseconde, structurées à l'échelle de l'attoseconde (1 as =10-18 s), dans le domaine XUV et porteuses d'un MAO d'ordre élevé.

Les faisceaux porteurs de MAO présentent nécessairement une géométrie très particulière sous forme d'anneau, du fait de la singularité induite par l'orientation non définie du plan d'onde au centre du faisceau. Il est montré que la mesure du diamètre de l'anneau est un moyen de connaitre la valeur du MAO. À partir d'un faisceau générateur infrarouge porteur d'un MAO, le diamètre du faisceau de chaque harmonique en sortie reste constant sur l'ensemble du spectre. C'est une signature directe de la proportionnalité entre l'ordre du moment angulaire et l'ordre q de l'harmonique.

Pour un faisceau pilote sans MAO, la composition de l'ensemble des harmoniques (spectre très large) produit un train d'impulsions bien définies de durée attoseconde. Pour un faisceau porteur de MAO, la résultante de cette composition d'harmoniques présente une structure en double hélice, comme une molécule d'ADN (voir figure). Cette structure à l'échelle de l'attoseconde, observée ici pour la première fois, est particulièrement intéressante et prometteuse pour les études de dynamiques électroniques ultrarapides.

Ces observations ouvrent aussi la voie à de nouvelles spectroscopies pour l'étude, par exemple, des propriétés magnétiques et optiques de la matière condensée (dichroïsmes hélicoïdaux), de dislocations de surfaces en physique des matériaux ou encore de structures chirales (matière vivante notamment). Pour élargir leur champ d'application, il serait aussi intéressant de rendre ces sources encore plus versatiles, en permettant d'affecter un MAO arbitraire à une harmonique quelconque. Ces recherches bénéficieront rapidement des nouvelles installations de l'EQUIPEX Attolab sur le site du CEA-Orme des Merisiers.

Références publication:
?Synthesis and characterization of attosecond light vortices in the extreme ultraviolet
R. Géneaux, A. Camper, T. Auguste, O. Gobert, J.Caillat, R. Taïeb and T. Ruchon,
Nature Communication, 30 Août 2016, DOI: 10.1038/NCOMMS12583

Contact chercheur:
Thierry Ruchon IRAMIS/LIDYL UMR CEA-CNRS – Groupe Atto.