Génération de lumière non linéaire et extrême
Génération d’harmoniques d’ordre élevé
L’une des applications les plus sophistiquées des impulsions femtoseconde à haute énergie est la génération d’harmoniques d’ordre élevé.
Présentation
Qu’est-ce que la génération d’harmoniques d’ordre élevé ?
L’une des applications les plus sophistiquées et les plus fascinantes des impulsions femtoseconde à haute énergie est le processus de génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG). En focalisant des impulsions laser intenses dans une cible gazeuse, on peut générer des harmoniques d’ordre bien plus élevé que ce qui est possible avec les matériaux non linéaires solides conventionnels, jusqu’à s’étendre largement dans l’ultraviolet extrême (EUV) ou même dans le domaine des rayons X mous. Dans le même temps, grâce à la large bande spectrale et à la courte longueur d’onde, les impulsions résultantes peuvent même atteindre l’échelle de l’attoseconde.
Modèle en trois étapes
En général, le processus de génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) peut être décrit par un modèle semi-classique simplifié en trois étapes. D’abord, un champ laser intense supprime temporairement le potentiel de Coulomb d’un atome. Ensuite, un paquet d’ondes électronique peut traverser par effet tunnel vers le continuum et est accéléré par le champ laser moteur. Lorsque le champ laser moteur s’inverse, le paquet d’ondes électronique est ramené vers le cœur atomique pour interférer avec le paquet d’ondes électronique lié résiduel dans l’état fondamental du système. L’interférence produit une bouffée de photons cohérents dont les énergies vont de quelques dizaines à quelques milliers d’électronvolts (eV). Ce processus se répétant à chaque demi-cycle du champ laser, l’interférence entre impulsions consécutives donne des harmoniques d’ordre élevé impaires de la fréquence fondamentale et, dans le domaine temporel, un train d’impulsions attoseconde.
Intensités et cadence de répétition
La génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) exige généralement des intensités laser de l’ordre de 10¹⁴ W/cm² pour déformer le potentiel de Coulomb, permettant à l’électron de sortir par effet tunnel et d’être accéléré à haute énergie. De tels champs sont habituellement obtenus par des systèmes à haute puissance crête, tels que les systèmes d’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence (OPCPA). La génération d’harmoniques d’ordre élevé a toutefois également été démontrée en utilisant directement le rayonnement fondamental des lasers femtoseconde CARBIDE et PHAROS. Les sources laser à base d’Yb présentent un grand intérêt en raison de leurs cadences de répétition élevées. Traditionnellement, la génération d’harmoniques d’ordre élevé a été limitée à de faibles cadences de répétition d’impulsion, n’excédant pas quelques kilohertz. De nombreuses applications scientifiques de la génération d’harmoniques d’ordre élevé pourraient bénéficier de cadences de répétition plus élevées. Par exemple, la spectroscopie de photoémission résolue en temps est limitée, par les effets de charge, dans le nombre de photoélectrons émis par impulsion ; les statistiques ne peuvent donc être améliorées qu’en fonctionnant à des cadences de répétition plus élevées. La génération d’harmoniques d’ordre élevé à 100 kHz a été rapportée avec le laser femtoseconde PHAROS, en focalisant son rayonnement dans des géométries de chambre à gaz et de capillaire.
EUV de table
Les solutions de table pour la génération d’un rayonnement ultraviolet extrême (EUV) ultra-rapide, à haute cadence de répétition et cohérent rendent possibles des expériences auparavant réalisables uniquement dans les grandes installations synchrotron. Les systèmes laser compacts améliorent la disponibilité, la fiabilité et la stabilité des sources de génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG).
