Laser femtoseconde - Définition

Propagation d'impulsions femtosecondes

Une impulsion femtoseconde est composée de nombreuses composantes spectrales, en nombre d'autant plus grand que l'impulsion est brève.

Dans le vide, toutes ces composantes spectrales se propagent à la vitesse de la lumière c et l'impulsion conserve sa durée au cours de la propagation.

Dans un milieu dispersif, l'indice de réfraction n(ν) dépend de la fréquence optique ν de la composante spectrale envisagée. Par conséquent, le temps nécessaire à la propagation d'une composante de fréquence ν sur une distance L, diffère d'une composante spectrale à l'autre. La somme cohérente des composantes spectrales produit ainsi, après propagation, une impulsion temporelle dont la durée est différente de celle avant la propagation. Sauf exceptions, la tendance générale pour les milieux de dispersion normale (i.e. où les longueurs d'ondes courtes se propagent plus lentement que les grandes longueurs d'ondes, comme la plupart des milieux transparents dans le domaine visible) est à l'étalement temporel de l'impulsion. Des précautions doivent donc être prises (compensation de dispersion et/ou recompression des impulsions) pour maintenir une impulsion ultra-brève lors de sa propagation. Ces précautions sont d'autant plus importantes que l'impulsion à propager est courte (et que donc, la dispersion doit être compensée sur une large bande spectrale).

Applications

Les lasers femtosecondes présentent donc une combinaison unique d'impulsions très courtes, de spectre large et de puissance crête élevée. Diverses applications utilisent toutes ou parties de ces propriétés uniques pour la recherche, l'industrie ou le domaine bio-médical.

On peut, par exemple, utiliser le fait que les durées d'impulsion sont très courtes pour réaliser des expériences résolues en temps avec une précision impossible à obtenir autrement avec les techniques actuelles. On peut utiliser la grande largeur du spectre, ainsi que sa cohérence en phase sur toute son extension, pour réaliser des peignes de fréquences optiques pour la métrologie de fréquences optique ou la spectroscopie atomique et moléculaire. On peut également utiliser les fortes énergies par pulses et puissance crête pour le micro-usinage de matériaux.

La liste suivante présentent diverses applications communes des lasers femtoseconde.

• Fusion nucléaire (fusion par confinement inertiel).
• Optiques non linéaires, comme, par exemple, génération de seconde harmonique, oscillateur paramétrique optique, génération de radiations térahertz, ou génération d'UV par Harmonique haute cadence (HHG pour High Harmonic Generation en anglais).
• Stockage optique de données.
• Micro-usinage - Les impulsions très courtes peuvent être utilisées pour le micro-usinage de nombreux types de matériaux.
• Microscopie à deux photons - L'excitation à deux photons est une technique d'imagerie par microscopie à fluorescence qui permet une image d'un tissu vivant à une profondeur d'un millimètre.
• Chirurgie réfractive (voir Lasik#Laser femtoseconde).
• Peigne de fréquences optiques - Qui permettent de mesurer les fréquences optiques par des techniques relativement simples (par oppositions aux chaines de fréquences utilisées précédemment et qui n'étaient accessibles qu'à une poignée de laboratoires au monde).
• Spectroscopie par résonance de cavité (ou Cavity Ringdown Spectroscopy en anglais). Permet l'analyse chimique de polluant atmosphérique par exemple.
• Génération d'impulsions attoseconde
• Faire tomber la pluie - Dans un article récent de Nature Photonics, des chercheurs de l’Université de Genève, de l’Université libre de Berlin et de Lyon 1, ont démontré qu’il devrait aussi être possible de provoquer artificiellement de la pluie. Les résultats obtenus ne font pas l’unanimité parmi les scientifiques et il semble difficile de prouver que l’effet soit bien réel, notamment parce que l’augmentation de la pluviosité semble finalement peu importante.
• Génération d'impulsions électromagnétiques dans le domaine des térahertz par effet photoconductif : une partie du domaine THz vient de la réunion de l'électronique hyperfréquence et des impulsions ultra-brèves femtosecondes