Antoine Monmayrant Thèse effectuée sous la direction de Béatrice Chatel Equipe FEMTO (Bertrand...
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Antoine Monmayrant
Thèse effectuée sous la direction de Béatrice ChatelEquipe FEMTO (Bertrand Girard)
Université Paul SabatierLaboratoire Collisions Agrégats Réactivité
27 juin 2005
Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes.
Contrôle cohérent de systèmes simples.
Le cadre: contrôle cohérent... 2
Le cadre:
Contrôle Cohérent:
Contrôle de la matière par son interaction avec une lumière cohérente contrôlée.
Le cadre: contrôle cohérent... 3
Contrôle cohérent: les débutsInterférences de chemins quantiques
Séquenced’impulsions
ABC1
2
Contrôle rudimentaire:
Peu de paramètres de contrôle (1 voire 2).Dispositif complexe et spécifique.Limité aux systèmes simples dont la physique est connue.
Comment contrôler des systèmes complexes ?
A+BCAB+C
ABC
Le cadre: contrôle cohérent... 4
Contrôle de systèmes complexes
ExpérienceThéorie
Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée
Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992
Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001
Gerber, et al.Science, 282, 1998
Pour contrôler des systèmes complexes:
Beaucoup de paramètres de contrôle (~500).
Mise en forme PROGRAMMABLE.
Algorithme d’optimisation.
Rabitz, et al.Science, 259, 1993
Optimiser le signal mesuré
Systèmecomplexe
Façonneur
Algorithmed’évolution
MesureForme
Le cadre: contrôle cohérent... 5
Contrôle de systèmes complexes
ExpérienceThéorie
Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée
Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992
Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001
Gerber, et al.Science, 282, 1998
Pour contrôler des systèmes complexes:
Beaucoup de paramètres de contrôle (~500).
Mise en forme PROGRAMMABLE.
Algorithme d’optimisation.
Rabitz, et al.Science, 259, 1993
Optimiser le signal mesuré
Systèmecomplexe
Façonneur
Algorithmed’évolution
MesureForme
Façonneur
Le cadre: contrôle cohérent... 6
Contrôle de systèmes complexes
ExpérienceThéorie
Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée
Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992
Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001
Gerber, et al.Science, 282, 1998
Rabitz, et al.Science, 259, 1993
Optimiser le signal mesuré
Systèmecomplexe
Façonneur
Algorithmed’évolution
MesureForme
Nombreux résultats:
Agrégats
Molécules biologiques
Champ fort
…
Wöste, et al., CP, 267, 2001
Motzkus, et al. Nature, 417, 2002
Rabitz, et al. Science, 292, 2001
Le cadre: contrôle cohérent... 7
Nombreux résultats:
Transitions à 2 photons
Petites molécules
Transitions à 1 photon
…
Leone, et al., JCP, 108, (22), 1998
Girard, et al., PRL, 89, (20), 2002
Meshulach et Silberberg, Nature, 396, (6708), 1998
Contrôle cohérent: ouverture…Contrôle en boucle ouverte de systèmes simples
Montrer un nouvel effet?
SystèmeSimple
Façonneur
Théorie
MesureForme
Meshulach,SilberbergNature, 3961998
ExpérienceThéorie
Le cadre: contrôle cohérent... 8
L’apport des façonneurs:
L’apport des façonneurs au contrôle cohérent:
► Stratégie « universelle » de contrôle de systèmes complexes.► Nouvel outil de compréhension de ces systèmes ?
► Dispositifs « simples » et versatiles (prototypage rapide).► Grande liberté pour les mises en forme (complexité).► Mises en forme cohérentes par construction.
Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples. 9
Au menuI. Mise en forme
d’impulsions(femtoseconde)
II. Caractérisationd’impulsions(femtoseconde)
III. Conclusion - Perspective
I.Mise en forme d’impulsions 10
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 11
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 12
Ultracourt: pas de façonnage temporel
Il n’existe pas de modulateur temporel assez rapide(électro-optiques ~ 500 fs)
( ) Re ( )t E tMettre en forme l'impulsion : modifier E
( )( ) ( ) iE E e ( )( ) ( ) i tE t E t e F
-1FToute l’information est présente dans le domaine spectral
Contrôle en PHASE et AMPLITUDE du champ spectral
I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 13
Mise en forme spectrale
Filtre spectral linéaire et passif:
pas d’amplification et aucune nouvelle fréquence.
S E 2( ) 1H
( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) iS EE H E H A e avec
Fonction de transfert dont on contrôle la phase et l’amplitude
( )EE t ( )SE t limitée par TF( )( ) EiH e
( )EE t ( )SE t à dérivede fréquence
( 2) 2 / 2( ) iH e
1
0 ~ E
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 14
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 15
f f f f
L1 L2Plan de Fourier
G1 G2
Froehly, et al.,Progress in optics, 20, 1983
Canal historique
L’impulsion n’est pas modifiée par la traversée du façonneur
( )EE t ( )EE t
dispersionangulaire
Ligne à dispersion nulle (ligne 4f)
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 16
Canal historique
Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque fixe
f f f f
L1 L2Masque
G1 G2
( )EE t ( )SE t
dispersionangulaire
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 17
Canal historique
Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque programmable
.X f M X .( )( () )ES M f EE
f f f f
L1 L2
G1 G2
( )EE t ( )SE t
M X
X
dispersionangulaire
Weiner, A.M.,RSI, 71, (5), 2000
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 18
Autre approche récenteFiltre Acousto-Optique Dispersif Programmable (AOPDF)
S
Axe lent
Axe rapide
Verluise, et al, OL, 25, (8), 2000
Interaction colinéaire entre l’impulsion laser et une onde acoustique.
( )(( ) / )S EE S E 710.
c
nV
Autocompensation de la dispersion du cristal.
S t
( )EE t
( )SE t
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 19
Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV
Seres, et al.,OL, 28 , (19), 2003
Impulsions très courtes et intenses (AOPDF)
Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004
Impulsions trèscomplexes (ligne 4f)
Beaucoup d’autres résultats …
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 20
Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV
Façonnage accordable (AOPDF)
Monmayrant, et al.,APB, 2005
Façonnage large bande (ligne 4f)
Zeidler, et al.OL, 26, (23), 2001
Beaucoup d’autres résultats …
I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 21
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 22
Seuil de dommageEnergie en entrée
(µJ → mJ)
Paramètres clefs: compromis…
Taux de rafraîchissement(Hz → 100kHz)
Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…
Phase/AmplitudePhase seule
Amplitude seule
Contraste
Transmission(1% → 90%)
( )EE t ( )SE tFaçonneur
Complexité(10 → 1000)
I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 23
Seuil de dommageEnergie en entrée
(µJ → mJ)
Paramètres clefs: compromis…
Taux de rafraîchissement(Hz → 100kHz)
Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…
Phase/AmplitudePhase seule
Amplitude seule
Contraste
Transmission(1% → 90%)
( )EE t ( )SE tFaçonneur
Complexité(10 → 1000)
I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 24
Complexité: une définition simple
Complexité élevée => impulsions fortement façonnées.
/E H
( )E
Double contrainte: bande spectrale limitée et résolution finie.
Weiner et al, JOSAB, 5, (8), 1988
/HT
( )E t
t
~ 1000 ~ 10
I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 25
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 26
Simplement maximiser la complexité
/E H
( )E
Maximiser la dispersion spatiale.Maximiser le nombre de pixels.
Ligne à dispersion nulle très dispersive…
- tout réflectif et géométrie sans aberration.- réseaux très dispersifs: 2000 traits/mm.- grande focale: f=600 mm.
I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 27
Simplement maximiser la complexité
/E H
( )E
Maximiser la dispersion spatiale.Maximiser le nombre de pixels.
Masques à Cristaux Liquides:
- Faible résolution (128 pixels) en PHASE et AMPLITUDE.
- Haute résolution (640 pixels) en PHASE SEULE.
I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 28
Simplement maximiser la complexité
Maximiser la dispersion spatiale.Maximiser le nombre de pixels.
Association de 2 masques de Phase haute résolution
- 2 Masques à CL de Jenoptik: 640 pixels: 100 µm (97+3µm). 300 GW/cm².
1 masque en Phase et Amplitude Haute résolution
Stobrawa, et al.,APB, 72, (5), 2001
I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 29
Simplement maximiser la complexité
Performances:
- fenêtre de 35 ps (0,06 nm/pixel).- ~220, maxi de 350.- transmission totale: 70%.- seuil de dommage: 300 GW/cm².
Monmayrant et ChatelRSI, 75, (8), 2004
HRPS
I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 30
Alignement ligne 4f : 32 degrés de liberté?
Alignement des masques :6 degrés de liberté 40 cm 3µmFabrication des supports
Les choses simples ne le sont pas
Calibration / Programmation:pas toujours faite comme il le faudrait
I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 31
Physique complexePixellisation et interstices
Dispersion spatiale non-linéaire-4 -2 0 2 4
-2
0
2
Temps (ps)
Pos
. tra
nsve
rse
(mm
)
Couplage spatiotemporel
II.Caractérisation d’impulsions 32
II. Caractérisation d’impulsions
1. Mesurer l’ultracourt ?
2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?
3. Une sonde sensible
4. Reconstruction de fonction d’onde atomique
5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents
II.Caractérisation d’impulsions 1.Mesurer l'ultracourt ? 33
II. Caractérisation d’impulsions
1. Mesurer l’ultracourt ?
2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?
3. Une sonde sensible
4. Reconstruction de fonction d’onde atomique
5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents
II.Caractérisation d’impulsions 1.Mesurer l'ultracourt ? 34
Mesure ou caractérisation complète?Mesurer l’impulsion: déterminer ( ) Re ( )t E tE
( )( ) ( ) iE E e ( )( ) ( ) i tE t E t e F
-1F
Caractérisation complète: déterminer l’amplitude et la phasedans le domaine spectral ou temporel.
Il n’existe pas de détecteur temporel assez rapide(caméras à balayage de fente ~ 500 fs)
II.Caractérisation d’impulsions 1.Mesurer l'ultracourt ? 35
Ex: corrélation interférométrique du premier ordre
( )E tPhotodiode
0 ( )E t
0
2( ) ) ( )( ES E t dt t
*0( ) (( ) )S EE donne F 0 ( ) ( )E E Si est connu, on mesure
Nécessite une impulsion déjà caractérisée ayant les mêmes propriétés spectrales (longueur d’onde, largeur).
Le problème de caractérisation est rejeté sur la référence.Mesures autoréférencées (SPIDER, FROG,..)
Mesures à référence
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 36
II. Caractérisation d’impulsions
1. Mesurer l’ultracourt ?
2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?
3. Une sonde sensible
4. Reconstruction de fonction d’onde atomique
5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 37
Excitation résonnante en régime perturbatif
Transitoires Cohérents: Théorie
( ) ( ) egi t
ea E t e dt
e
g( )E t
Interaction entre un système à deux niveaux et une impulsion courte
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 38
Transitoires Cohérents: Théorie
0
c
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
t (fs)
-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 20000.000
0.005
0.010
0.015
t (fs)
2( ) ( )e eP t a t ( )eP t
2( )E t 2
( )E t
t
t
Impulsion limitée par Transformée de Fourier
Impulsion à dérive de fréquence
(2) 20
( ) 0 (2)
2( ) ( )2 eg
( ) ( ) egi t
ea E t e dt
e
g( )E t
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 39
Phase quadratique temporelle
Théorie: Spirale de Cornu
Passage par la résonance:
phase stationnaire
Après la résonance: Oscillations
Avant la résonance : Variation lente
|ae(t)|²
0
Temps
Pe(t)
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
-0.1 0.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
(2) 20
2 2
( 2)2( ) 4 c
t tit
ea t e dt
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 40
Phase quadratique temporelle
Théorie: Spirale de Cornu
Passage par la résonance:
phase stationnaire
Après la résonance: Oscillations
Avant la résonance : Variation lente
|ae(t)|²
0
Temps
Pe(t)
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
-0.1 0.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
(2) 20
2 2
( 2)2( ) 4 c
t tit
ea t e dt
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 41
Phase quadratique temporelle
Théorie: Spirale de Cornu
Passage par la résonance:
phase stationnaire
Après la résonance: Oscillations
Avant la résonance : Variation lente
|ae(t)|²
0
Temps
Pe(t)
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
-0.1 0.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
(2) 20
2 2
( 2)2( ) 4 c
t tit
ea t e dt
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 42
Phase quadratique temporelle
Théorie: Spirale de Cornu
Passage par la résonance:
phase stationnaire
Après la résonance: Oscillations
Avant la résonance : Variation lente
|ae(t)|²
0
Temps
Pe(t)
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
-0.1 0.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
(2) 20
2 2
( 2)2( ) 4 c
t tit
ea t e dt
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 43
Phase quadratique temporelle
Théorie: Spirale de Cornu
Passage par la résonance:
phase stationnaire
Après la résonance: Oscillations
Avant la résonance : Variation lente
|ae(t)|²
0
Temps
Pe(t)
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
-0.1 0.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
(2) 20
2 2
( 2)2( ) 4 c
t tit
ea t e dt
II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 44
Observation expérimentale
20psc
on resonance’’=-8 105 fs2
t1 t2
2 2 "
5 2
à résonance
8 10 fs
-2 0 2 4 6 8 10
Délai (ps)
Flu
o. 6p
-5s
(u.
arb
.)
Zamith, et al, PRL, 87, (3), 2001
II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 45
II. Caractérisation d’impulsions
1. Mesurer l’ultracourt ?
2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?
3. Une sonde sensible
4. Reconstruction de fonction d’onde atomique
5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents
II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 46
Contrôle: temps - fréquence
t
egegt
II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 47
Contrôle: saut de phase de
t
egegt
s
s
st
II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 48
Contrôle: saut de phase de
t
egegt
s
s
st
II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 49
Saut de phase de : expérience
Collaboration avec M. Motzkus
(MPQ Garching)
Ligne 4f CL128 pixels0.26nm/pix
|ae(t
)|2 (
u. a
rb.)
temps (ps)
Saut de phase de 0,26 nm après la résonance
-2 0 2 4 6 8
2 2t
Transitoires cohérents très sensibles à la position du saut.
Degert,et al, PRL, 89, (20), 2002
II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 50
Une sonde sensible….6d, 8d
5p2P1/2
5s
6p
Fluo420 nm
Rb
Phase Quadratique
NOPAChaîneLASER
795 nm1kHz1 mJ130 fs
607 nm1kHz5 µJ30 fs
795 nm, 1kHz5 µJ, 20ps
Rb
PM
Rb
HRPS:2 CL
640 pixels0.06nm/pix
Saut de phase de à variable (pas de 0,06 nm)
II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 51
-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000
|a e(t
)|2
(a.u
.)
delay (ps)
shift from resonance -9 pixels (0.54 nm) -8 pixels (0.48 nm) -7 pixels (0.42 nm) -6 pixels (0.36 nm) -5 pixels (0.30 nm)
-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000
shift from resonance -9 pixels (0.54 nm) -8 pixels (0.48 nm) -7 pixels (0.42 nm) -6 pixels (0.36 nm) -5 pixels (0.30 nm)
|a e(t
)|2
(a.u
.)
delay (ps)
Une sonde sensible….
Transitoires très sensibles: on repère un décalage de 0,06 nm.Caractérisation de façonneurs à haute résolution:
Wohlleben, et al., APB, 79, (4), 2004
Caractérisation complète d’impulsions par Transitoires Cohérents ?Monmayrant et al., CLEO 2005, soumis à OL
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 52
II. Caractérisation d’impulsions
1. Mesurer l’ultracourt ?
2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?
3. Une sonde sensible
4. Reconstruction de fonction d’onde atomique
5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents
( ) ( ) egi t
ea E t e dt
e
g( )E t
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 53
Transitoires Cohérents: amplitude?
0.30.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
teg
egt
Pe(t)
Pas de signal avant la résonance: aucune information sur la première demi-spirale.
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 54
Transitoires Cohérents: amplitude?
0.30.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
On transfère de la population à l’aide d’une pré-impulsion.
- Pas de recouvrement temporel.
- Les Transitoires Cohérents dépendent de la phase relative à résonance.
- ae(t) est complexe:2 enregistrements nécessaires.
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 55
2
1 2( ) ( ) ( )ie eS a e a
1( )E t 2( )ie E t 0
0
Des transitoires à l’amplitude
Deux séquences de deux impulsions avec une phase relative contrôlée
0( )S
( )S
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 56
Reconstruction expérimentale: pré-requis
1 2( ) ( )iE t E te
Comment créer des séquences d’impulsions:
-séparées par des délais importants.
-avec un contrôle interférométrique des délais.
-une stabilité sur plusieurs minutes, voire des heures.
?
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 57
Reconstruction expérimentale: test
Deux impulsions limitées par TF avec une phase relative …(1)1 1
( ) exp ( )2 2 pH i i
-1 0 1 2 3 4 50
1
2
3
4
|ae2
(t)|2 (
u.
arb
.)
Délai (ps)
Inte
nsi
té (
u.
arb
.)
0 1 2 3 4
0
2
4
|ae2
(t)|2 (
u. a
rb.)
Phase (rad)
(1) 3 ps
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 58
Spirographe atomique…(2)
(1) 21 1( ) exp ( ) ( )
2 2 2p pH i i i
(1) 6 ps(2) 5 22.10 fs
/ 5
/ 5 / 2
1 2( ) ( )iE t E te
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 59
Evolution temporelle de ae2(t)
Im[ae2(t)] (u
. arb.)
Re[ae2 (t)] (u. arb.)
Tem
ps
(fs)
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 60
Mesure de fonction d’ondeQu’avons-nous mesuré?
Evolution forcée d’un niveau atomique
Technique proche de l’holographie quantique
Mais habituellement on suit l’évolution libre d’un paquet d’onde - Tomographie quantique
- Holographie quantique
- Mesure de paquet d’onde
Leichtle, et al., PRL, 80, (7), 1998
Walmsley, J. Phys. B, 31, 1998
Leichtle, et al., PRL, 80 , (7), 1998
Weinacht, et al., PRL, 80, (25), 1998
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 61
II. Caractérisation d’impulsions
1. Mesurer l’ultracourt ?
2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?
3. Une sonde sensible
4. Reconstruction de fonction d’onde atomique
5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 62
Dérivation du champ électrique
Amplitude de probabilité Intégrale du champ électrique
2 2( ) ( ) egi t
ea E t e dt
2 2( ) ( ) egi t
e
da t E t e
dt
2 ( )egE 2 ( ) egi tE t e F
1 2( ) ( )iE t E te
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 63
Reconstruction du champ électrique
Des transitoires…
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 64
Reconstruction du champ électrique
Des transitoires…
… à l’amplitude de probabilité...
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 65
Reconstruction du champ électrique
Des transitoires…
… à l’amplitude de probabilité...
… et au champ électrique.
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 66
Par différence entre les deux mesures, on détermine la dispersion du
barreau de verre: ( )d eg
Mesure de dispersion
( )egE ( ) egi tE t e F
( )E t
Dispositif de mesure
(avec façonneur)
a)
barreau ( )( ) d egi
egE e ( ) egi t
dE t e F
( )E t ( )dE t
Dispositif de mesure
(avec façonneur)
b)
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 67
Mesure de dispersion
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 68
Effet de la sonde(
2
) )) (( ( ) fe
e
i t
sb E t e t dta
2(( () ))s fe egE ES
( ) ( )d
S bd
Fluo
e
f
g2 ( )E t
( )sE t
1( )E t
Mesure à référence: la sonde doit être connue (ou la pompe!).
Terme interférométrique inhabituel: résonance à 2 photons.Décalage spectral: terme “amplitudométrique” à deux couleurs.
La sonde peut être longue mais doit être caractérisée.
2 2( ) ( ) egt i t
e e da tt E t
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 69
Une technique de plus?
2(( () ))s fe egE ES
Technique adaptable?
- Principe général: accordable à différentes gammes spectrales.- Fonctionne aussi pour un continuum (ionisation par la sonde).- Semble donc applicable à la caractérisation XUV.
Technique adaptée aux impulsions fortement façonnées:
- Très bonne résolution spectrale (Doppler).- Permet la caractérisation d’impulsions très étirées.- Permettrait la caractérisation d’impulsions composées de plusieurs lobes séparés (contrairement aux mesures autoréférencées).- Mesure in situ.
III.Conclusion - Perspectives 70
Conclusion - PerspectivesFaçonneur haute résolution
► Forte complexité (35 ps / 100 fs).► Grande efficacité (70%).► Seuil de dommage élevé.
Mesure de fonction d’onde
► Amplitude de probabilité à l’échelle fs.► Système en interaction.
Caractérisation complète
► A référence à deux couleurs.► Très haute résolution.► Impulsions très étirées.
III.Conclusion - Perspectives 71
Conclusion - PerspectivesFaçonneur haute résolution
► Forte complexité (35 ps / 100 fs).► Grande efficacité (70%).► Seuil de dommage élevé.
Mesure de fonction d’onde
► Amplitude de probabilité à l’échelle fs.► Système en interaction.
Caractérisation complète
► A référence à deux couleurs.► Très haute résolution.► Impulsions très étirées.
► Transfert à l’UV.► Contrôle optimal (molécules).► Une idée? Essayons…
III.Conclusion - Perspectives 72
Conclusion - PerspectivesFaçonneur haute résolution
► Forte complexité (35 ps / 100 fs).► Grande efficacité (70%).► Seuil de dommage élevé.
Mesure de fonction d’onde
► Amplitude de probabilité à l’échelle fs.► Système en interaction.
Caractérisation complète
► A référence à deux couleurs.► Très haute résolution.► Impulsions très étirées.
► Transfert à l’UV.► Contrôle optimal (molécules).► Une idée? Essayons…
► Sonde vers un continuum (ionisation).► Plusieurs niveaux excités.
III.Conclusion - Perspectives 73
Conclusion - PerspectivesFaçonneur haute résolution
► Forte complexité (35 ps / 100 fs).► Grande efficacité (70%).► Seuil de dommage élevé.
Mesure de fonction d’onde
► Amplitude de probabilité à l’échelle fs.► Système en interaction.
Caractérisation complète
► A référence à deux couleurs.► Très haute résolution.► Impulsions très étirées.
► Transfert à l’UV.► Contrôle optimal (molécules).► Une idée? Essayons…
► Sonde vers un continuum (ionisation).► Plusieurs niveaux excités.
► Impulsions UV.► Sonde vers un continuum.► Impulsions très complexes.
II.Mise en forme d’impulsions 74
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 75
Comparaison: mesure à référence
2(( () ))s fe egE ES *0 2( ) ( ) ( )refS E E
“Spirographe”
- mêmes largeurs spectrales.
- gammes spectrales différentes.
- aucun besoin d’une précision interférométrique entre la pompe et la sonde.
Corrélation interférométrique
- mêmes largeurs spectrales.
- mêmes gammes spectrales.
- précision interférométrique.
I.Mise en forme d’impulsions4.Notre contribution 76
Physique complexePixellisation et interstices
Dispersion spatiale non-linéaire
-4 -2 0 2 4
-2
0
2
Temps (ps)
Pos
. tra
nsve
rse
(mm
)
Couplage spatiotemporel
Stobrawa, et al.,APB, 72, 2001
II.Mise en forme d’impulsions 77
II.Mise en forme d’impulsions 78
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 79
2
1 2( ) ( ) ( )ie eS a e a
1( )E t 2( )ie E t
0
0
Des transitoires à l’amplitudeDeux séquences de deux impulsions avec une phase relative
contrôlée
0( )S
( )S
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 80
2
1 2( ) ( ) ( )ie eS a e a
1( )E t 2( )ie E t
0
0
00( ) ( )r S
1( ) ( )r S
Des transitoires à l’amplitudeDeux séquences de deux impulsions avec une phase relative
contrôlée
0( )S
( )S
Reconstruction géométrique r0(), r1().
III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 81
Reconstruction géométrique
III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 82
Reconstruction géométrique
III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 83
Reconstruction géométrique
III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 84
Reconstruction géométrique
III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 85
Reconstruction géométrique
II.Mise en forme d’impulsions 86
FROG (Frequency Resolved Optical Gating)
2 ( , )E t( )E t
Spectromètre( )E t
(2) 2
2( , )) ( ,ES t F
( , )( )
SE
contient suffisament d'information pourretrouver à l'aide d'un algorithme itératif.
Autres techniques: -dérivés du FROG (THG-FROG, XFROG, TOAD,…).-SPIDER (Spectral Interferometry for Direct Electricfield
Reconstruction) et ses dérivés (M-SPIDER, HOT SPIDER,…).
II.Mise en forme d’impulsions 87
SPIDER
E
cE
fixe
1dE 2dE
1 1( ) ( )j w w j w w dw- - - -
1( )j w w- ( )j w
1 1( ) ( )j w w j w w dw wt- - - - +
dw®
1w w+l
1dE% 2dE%
C. Iaconis et I. A. Walmsley, Opt. Letter 23 (1998) 792
II.Mise en forme d’impulsions 88
HOT SPIDER
1( ) ( )hj w w j w wt- - +
1( ) ( )
...hj w w dw j w
wt
- - -
+
1 1( ) ( )j w w j w w dw- - - -( )j w
1
1
( ) ...
... ( )
j w w
j w w dw wt
- -
- - +
C. Dorrer et al, Opt. Letter 26 (2001) 1510
II.Mise en forme d’impulsions 89
L’art du compromis…
« Nettoyage » d’impulsionsavant amplification
Faible complexité Faible transmission Contrôle partiel (phase) Faible seuil de dommage
Taux de rafraîchisst élevé Contraste élevé Faible encombrement
Contrôle cohérent de processus non-linéaire
Haute complexité Bonne transmission Contrôle total (phase/amp) Seuil de dommage élevé
Taux de rafraîchisst bas Répliques pas gênantes Encombrement quelconque
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 90
Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV
Seres, et al.,OL, 28 , (19), 2003
Impulsions très courtes et intenses (AOPDF)
Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004
Impulsions trèscomplexes (ligne 4f)
Beaucoup d’autres résultats …
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 91
Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV
Façonnage accordable (AOPDF)
Monmayrant, et al.,APB, 2005
Façonnage large bande (ligne 4f)
Zeidler, et al.OL, 26, (23), 2001
Beaucoup d’autres résultats …
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 92
Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV
Façonnage direct?(ligne 4f CL-2D)
Différence de fréquence
Witte, et al,APB, 76, (4), 2003
Belabas, et al.OL, 26, (10), 2001
Vaughan, et al.OL, 30, (3), 2005
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 93
Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV
Façonnage direct: ligne 4fSomme de fréquence
Hacker et alJOSAB, 18, (6), 2001
Hacker, et al.APB, 76, (6), 2003
micro-miroirs
Roth, et alAPB, 80, (4 - 5), 2005
masque acousto-optique