Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde :

Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde:des Plasmas au Redressement Optique dans les cristaux

Ciro D’Amico1, A. Houard2, B. Prade2, V. T. Tikhonchuk 3, A. Mysyrowicz2, E. Freysz1

1Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne, Université de Bordeaux 1, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France.

2Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS UMR 7639, Palaiseau, 91761 France 3Centre Lasers Intenses et Applications, Université de Bordeaux 1, CEA, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France.

PLAN

Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter

Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurso Impulsions THz produites par interaction laser-plasmao Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires

Technique de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz

Applications

Conclusions

C. D’Amico, JPU 2009

‘Gap’

La région du spectre électromagnétique dite THz

10cm 1mm 100nm10µm 1nm

THzMW IR UV Rayons-X Rayons-γOndes Radio

1013 Hz1011 Hz

photoniqueélectronique


‘Gap’

La région du spectre électromagnétique dite THz



1013 Hz1011 Hz

Sources THz pulsées générées par des impulsions laser ultracourtes

photoniqueélectronique


- Génération de couples électron-trou- Effets non linéaires du 2ème ordre- Effets non linéaires du 3ème ordre

- Photo-ionisation et effets ponderomoteurs

Opt

Interaction

THz

Méthode de mesure du champ électrique transitoire THz

I I + ε- ε

λ/4

WP

Sonde optique

Cristal EO (χ(2) ≠ 0 )

PD1 PD2

-Détection Synchrone

ZnTe (→ 4 THz)GaP (→ 11 THz)

…

La méthode Electro-Optique


THz


PLAN



Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz

Applications

Conclusions

Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs

Densité de porteurs de charge

-

+

GaAs

Esj-+


THz

Champ THz transitoire

IR

-

+

GaAs

j-+

Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs

Densité de porteurs de charge

K. Reinman, ‘Table-top sources of ultrashort THz pulses’, Rep. Prog. Phys. 70, 1597 (2007)

Champ THz (champ lontain) pour différentes durées de vie des porteurs de charge

Δt = 100 fs

IR


THz

Champ THz transitoire


PLAN




Applications

Conclusions

Canal ioniséBulle de lumière

autoguidée

fi lament

I mpulsion


autoguidée

fi lament

I mpulsion

1t 2t3t

cVg

I mpulsionautoguidée

Filamentation :

Sources THz par filamentation



autoguidée

fi lament

I mpulsion


autoguidée

fi lament

I mpulsion

1t 2t3t

cVg


Filamentation :

C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007)


cZ

THzFilament

- +

Polarisationradiale

Mécanisme Transition-Cherenkov



autoguidée

fi lament

I mpulsion


autoguidée

fi lament

I mpulsion

1t 2t3t

cVg


Filamentation :

densité de courant longitudinal

C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007)


cZ

THzFilament

- +

Polarisationradiale

Mécanisme Transition-Cherenkov


Sources THz par filamentation (sources de plasma)

+- cTransition-Cherenkov, efficacité ≈ 10-9

C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 ( 2007)C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, 013015 ( 2008)

Amplification de la radiation Transition-Cherenkov


Sources THz par filamentation (sources de plasma)

+- c

+- c

-

+

E

+- c

E

E

-+

Transition-Cherenkov, efficacité ≈ 10-9

C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 ( 2007)C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, 013015 ( 2008)

Transition-Cherenkov +

champ électrique transversale efficacité ≈ 10-8 - 10-7

A. Houard et al., Phys. Rev. Lett. 100, 255006 ( 2008)

Transition-Cherenkov +

champ électrique longitudinale efficacité ≈ 10-6 (@ 10 kV)

Yi Liu et al., Appl. Phys. Lett. 93, 051108 ( 2008)

Amplification de la radiation Transition-Cherenkov


Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma

IR

ω

ω + 2ω

BBO


Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma

THzω

ω2ω - Ω

Ω (THz)

χ(3)

P(3)(Ω)=ε0χ(3)(Ω=ω+ω-2ω+Ω;-2ω+Ω,ω,ω)E*(2ω-Ω)E(ω)E(ω)(mélange à quatre-ondes, processus non linéaire du 3eme ordre)

IR

ω

ω + 2ω

BBO



PLAN




Applications

Conclusions

Redressement optique dans les cristaux non linéaires

P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I(redressement optique, processus non linéaire ordre 2)

IR THz

Cristal

ω

Ω (THz)

χ(2)

ω - Ω




IR THz

Cristal

ω

Ω (THz)

χ(2)

ω - Ω

Accord de phaseVφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR




IR THz

Cristal

ω

Ω (THz)

χ(2)

ω - Ω

Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR )

THzV

IRV

I R

ZnTe

c





IR THz

Cristal

ω

Ω (THz)

χ(2)

ω - Ω


THzV

IRV

I R

ZnTe

c



Cristal: LiNbO3 (n φ,THz ≈ 2ng,IR )

Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ,THz /ng,IR) ≈ 63°

THzVIRV

I R

LiNbO3




IR THz

Cristal

ω

Ω (THz)

χ(2)

ω - Ω

THz

LiNbO3

IR

L

Réseau dediffraction

(N traits/mm)

α

Technique pour incliner le front d’onde


THzV

IRV

I R

ZnTe

c

Cristal: LiNbO3 (n φ,THz ≈ 2ng,IR )

Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ,THz /ng,IR) ≈ 63°

THzVIRV

I R

LiNbO3


Redressement optique dans les cristaux non linéairesProblème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3

Front d’onde IRIncliné sans distorsions

Front d’onde IRIncliné avec distorsions

Accord de phase

α

x x

z z


Redressement optique dans les cristaux non linéairesProblème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3

Front d’onde IRIncliné sans distorsions

Front d’onde IRIncliné avec distorsions

Accord de phase

α

x x

z z


Taux de conversion ≈ 10-2 1 photon (800 nm) → 3.7 photons (1 THz) !

THz

LiNbO3

IR N = 1200 l/mm

G = 1THz

LiNbO3

IR

G = 0.5

N = 2000 l/mmα

Taux de conversion ≈ 7∙10-4

Etude théorique: L. Palfalvi et al., Appl. Phys. Lett. 92, 171107 (2008)


0 1 2 3 4 5 6

-0,5

0,0

0,5

1,0

C

ham

p E

lect

rique

(u.a

.)

temps (ps)0 1 2 3 4 5

1E-3

0,01

0,1

1

Am

plitu

de S

pect

rale

(u.a

.)

Fréquence (THz)

Génération dans le ZnTe, détection dans le ZnTe

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

-0,5

0,0

0,5

1,0

Cha

mp

Ele

ctriq

ue (u

.a.)

Temps (ps)0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

1E-3

0,01

0,1

1

A

mpl

itude

Spe

ctra

le (u

.a.)

Fréquence (THz)

Génération dans le st-LiNbO3, détection dans le ZnTe


Taux de conversion10-5

Taux de conversion10-3-10-2


PLAN




Applications

Conclusions


J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003)

Train d’impulsions Opt. Impulsion THz2TF

Fréquences THz Fréquences THz

Avec les bonnes paramètres Δt, N

Δt, N cristal

Le principe …Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz

I mpulsions THz

z

Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides

Δr, N

Une technique récente (CPMOH)

C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009)C. D’Amico, JPU 2009





Δt, N cristal


Propagateur de Fresnel

Couplage spatio-temporelen champ intermédiaire

I mpulsions THz

z

Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides

Δr, N

Une technique récente (CPMOH)

C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009)C. D’Amico, JPU 2009





Δt, N cristal


Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz

R = 4 mm

R1 = 2 mmR2 = 4 mm


Z = 4 cmI mpulsions THz

z

Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz

ThéorieExpérience

La source se comporte comme une

lentille de Fresnel



PLAN




Applications

Conclusions

Applications



Vibrations intramoléculaires

Vibrations intermoléculaires

Transitions électroniques

Rotations moléculaires








le cristal β-BaB2O4 (BBO)

J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008)

Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz


Applications







le cristal β-BaB2O4 (BBO)

J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008)

Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz

Détection en temps réel de l’évolution du champ électrique THz (accès direct à l’amplitude et à la phase des impulsions)

On peut extraire plus d’information quedans le cas optique!

Originalité par rapport à la Spectroscopie dans le domaine optique


Applications

CONCLUSIONS

4 techniques pour la génération d’impulsions THz par lasers ultracourts o Les antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs o Plasma: filamentation femtosecondeo Plasma: Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) o Le redressement optique: ZnTe, LiNbO3 (champ THz intense)

Technique de mise en forme spectrale e spatiale dans le redressement optiqueo Mise en forme spatiale du faisceau de pompe (à l’aide d’un masque de phase CL)o Control du couplage Spatio-temporel en champ intermédiaire

Application à l’optique THz non linéaire


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