Sources laser dopées à l'Yb pour la science attoseconde et la physique des champs intenses

Physique quantique Optique Physique
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Contexte

La science attoseconde (attosecond science) est un domaine de pointe qui étudie la dynamique ultra-rapide des électrons dans les atomes, les molécules et les solides. Depuis la découverte de la génération d’harmoniques d’ordre élevé (High-Order Harmonic Generation, HHG) et la réalisation expérimentale des impulsions attosecondes, la science attoseconde a rapidement évolué, devenant un outil puissant pour étudier la dynamique des électrons. Cependant, bien que les lasers au titane-saphir (Ti:Sapphire, Ti:Sa) traditionnels excellent dans la génération d’harmoniques d’ordre élevé et d’impulsions attosecondes, leur défaut quantique élevé et leur charge thermique importante limitent leur utilisation à haute fréquence de répétition et à haute puissance moyenne. Ces dernières années, les lasers dopés à l’ytterbium (Ytterbium, Yb), en raison de leur faible défaut quantique, de leur haute fréquence de répétition et de leur puissance moyenne élevée, sont progressivement devenus un outil émergent dans la science attoseconde. Cet article explore l’application des lasers dopés à l’ytterbium dans la science attoseconde et passe en revue les progrès récents dans les domaines de la compression non linéaire, de la génération d’impulsions attosecondes et de la mesure des champs électriques.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Tran-Chau Truong, Dipendra Khatri, Christopher Lantigua, Chelsea Kincaid et Michael Chini, auteurs affiliés à l’Université d’État de l’Ohio (The Ohio State University) et à l’Université de Floride centrale (University of Central Florida). L’article a été publié le 16 avril 2025 dans la revue APL Photonics, sous le titre Few-cycle Yb-doped laser sources for attosecond science and strong-field physics, et fait partie du thème spécial Advances Enabled by Ytterbium: From Advanced Laser Technology to Breakthrough Applications.

Contenu principal de l’article

1. Avantages et applications des lasers dopés à l’ytterbium

Les lasers dopés à l’ytterbium, en raison de leur faible défaut quantique et de leur haute efficacité, peuvent fonctionner à haute fréquence de répétition et à haute puissance moyenne, ce qui les rend adaptés aux applications industrielles et à la science attoseconde. Comparés aux lasers au titane-saphir, les lasers dopés à l’ytterbium offrent une plus grande stabilité et nécessitent moins de maintenance dans les géométries de disque mince et de fibre optique. Cependant, la bande passante de gain des lasers dopés à l’ytterbium est relativement étroite, ce qui entraîne des durées d’impulsion plus longues (>100 fs à >1 ps), les rendant incapables de générer directement des impulsions attosecondes. Par conséquent, les lasers dopés à l’ytterbium ont d’abord été utilisés comme sources de pompage pour les systèmes d’amplificateurs paramétriques optiques (OPA) et d’amplificateurs paramétriques optiques à impulsions chirpées (OPCPA).

2. Techniques de compression non linéaire

Pour générer des impulsions à quelques cycles, les chercheurs ont développé diverses techniques de compression non linéaire, notamment les fibres capillaires à cœur creux (Hollow-Core Capillary Fiber, HCF) et les cellules multi-passages (Multi-Pass Cell, MPC). Les HCF permettent d’élargir le spectre par modulation de phase automatique (Self-Phase Modulation, SPM) en propageant les impulsions laser dans un capillaire rempli de gaz, puis en comprimant les impulsions par compensation de dispersion. Les MPC, quant à elles, réalisent l’élargissement spectral en focalisant plusieurs fois le faisceau dans un milieu non linéaire, offrant une efficacité énergétique plus élevée et des durées d’impulsion plus courtes. Ces dernières années, les techniques MPC ont fait des progrès significatifs dans la compression d’impulsions à haute puissance moyenne et à haute énergie, atteignant une efficacité de compression de 98 % et des durées d’impulsion de quelques femtosecondes.

3. Génération d’impulsions attosecondes

La génération d’impulsions attosecondes est principalement réalisée par la génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG). La haute fréquence de répétition et la puissance moyenne élevée des lasers dopés à l’ytterbium fournissent un flux de photons plus important et un temps d’acquisition de données plus court, ce qui est particulièrement adapté aux expériences nécessitant un faible nombre de photons, comme la détection coïncidente d’électrons et d’ions (coincidence electron and ion detection) et la spectroscopie de photoémission de surface (surface photoemission spectroscopy). Grâce aux techniques de compression non linéaire, les lasers dopés à l’ytterbium peuvent générer des impulsions à quelques cycles, entraînant la génération d’impulsions attosecondes à spectre continu. Les expériences montrent que les lasers dopés à l’ytterbium peuvent générer des harmoniques atteignant 350 eV dans l’hélium, avec un flux de photons allant jusqu’à 10^5 photons/s.

4. Techniques de mesure des champs électriques

En plus de générer des impulsions attosecondes, la mesure directe de la forme d’onde du champ électrique des impulsions laser ultra-courtes offre un nouvel outil pour la science attoseconde. Les techniques d’échantillonnage du champ optique (optical field sampling) mesurent directement la dynamique sous-cycle du champ électrique à l’aide d’une porte temporelle rapide, sans nécessiter d’algorithmes de reconstruction complexes. Ces dernières années, les techniques de mesure des champs électriques basées sur la réponse de champ fort (comme l’ionisation par tunnel et l’excitation multiphotonique dans les solides) ont permis des mesures de champ électrique dans des conditions ambiantes, couvrant des fréquences du térahertz au proche infrarouge. Ces techniques fournissent de nouveaux outils pour la science attoseconde, permettant d’explorer des phénomènes ultra-rapides tels que la dynamique des électrons et les fluctuations du vide quantique.

Importance et valeur de l’article

Cet article passe en revue l’application des lasers dopés à l’ytterbium dans la science attoseconde, mettant en lumière les progrès récents dans les domaines de la compression non linéaire, de la génération d’impulsions attosecondes et de la mesure des champs électriques. La haute fréquence de répétition et la puissance moyenne élevée des lasers dopés à l’ytterbium fournissent une nouvelle plateforme expérimentale pour la science attoseconde, permettant d’atteindre un flux de photons élevé et un temps d’acquisition de données court, particulièrement adapté aux techniques spectroscopiques complexes et aux mesures spectroscopiques multidimensionnelles. De plus, la stabilité et l’efficacité des lasers dopés à l’ytterbium en font un choix idéal pour les sources attosecondes de laboratoire, ouvrant la voie à une application plus large de la technologie attoseconde dans les domaines de la physique, de la chimie et de la biologie.

Points forts de la recherche

  1. Haute fréquence de répétition et puissance moyenne élevée : Les lasers dopés à l’ytterbium peuvent fonctionner à haute fréquence de répétition (kHz à MHz) et à haute puissance moyenne (niveau kW), fournissant un flux de photons plus important et un temps d’acquisition de données plus court pour la science attoseconde.
  2. Techniques de compression non linéaire : Grâce aux techniques HCF et MPC, les lasers dopés à l’ytterbium peuvent générer des impulsions à quelques cycles, entraînant la génération d’impulsions attosecondes à spectre continu.
  3. Techniques de mesure des champs électriques : Les techniques de mesure des champs électriques basées sur la réponse de champ fort fournissent de nouveaux outils pour la science attoseconde, permettant de mesurer directement la dynamique sous-cycle du champ électrique.
  4. Perspectives d’application : La stabilité et l’efficacité des lasers dopés à l’ytterbium en font un choix idéal pour les sources attosecondes de laboratoire, ouvrant la voie à une application plus large de la technologie attoseconde dans divers domaines.

Conclusion

L’application des lasers dopés à l’ytterbium dans la science attoseconde démontre leur potentiel considérable dans les domaines de la compression non linéaire, de la génération d’impulsions attosecondes et de la mesure des champs électriques. Avec les progrès continus de la technologie des lasers dopés à l’ytterbium, la science attoseconde est sur le point de connaître de nouvelles opportunités de développement, favorisant une compréhension plus approfondie de la dynamique des électrons et de la recherche sur les systèmes complexes.