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Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes

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1 Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes
Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples. Antoine Monmayrant Thèse effectuée sous la direction de Béatrice Chatel Equipe FEMTO (Bertrand Girard) Université Paul Sabatier Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité 27 juin 2005 Faire copie plan pour Jury. Utiliser paperboard Dire que contrôle cohérent: contrôle de la matière en la faisant interagir avec un rayonnement contrôlé: impulsions. Montrer ce que le façonnage (la mise en forme) d’impulsions a apporté à ce domaine

2 Le cadre: Contrôle Cohérent:
Contrôle de la matière par son interaction avec une lumière cohérente contrôlée.

3 Contrôle rudimentaire: Comment contrôler des systèmes complexes ?
Le cadre: contrôle cohérent... Contrôle cohérent: les débuts Interférences de chemins quantiques Séquence d’impulsions ABC A+BC AB+C ABC Contrôle rudimentaire: Peu de paramètres de contrôle (1 voire 2). Dispositif complexe et spécifique. Limité aux systèmes simples dont la physique est connue. TR:Une réponse a été apportée à cette question par Rabitz au début des années 1990… Shapiro: laser CW pour créer une superposition |a>=c1|E1>+c2|E2>, puis deux lasers pour faire |E1> vers |f> et |E2> |f>. En contrôlant la phase relative des deux lasers, on module population transférée. Elliott: w~554nm et 3w~185nm ds Hg hte pression ds Chbre 1. Chbre2= argon dt variation de pression fait varier phase relative w/3w. Chbre3= Hg basse pression et ionisation. Tannor Rice : on monte sur surface de potentiel de état excité, on se ballade et deuxième impulsion fait redescendre après un temps variable. Comment contrôler des systèmes complexes ?

4 Pour contrôler des systèmes complexes:
Le cadre: contrôle cohérent... Contrôle de systèmes complexes Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée Théorie Expérience Judson et Rabitz PRL, 68, (10), 1992 Rabitz, et al. Science, 259, 1993 Gerber, et al. Science, 282, 1998 Gerber, et al., CP, 267, (1-3), 2001 Optimiser le signal mesuré Système complexe Façonneur Algorithme d’évolution Mesure Forme L’idée est de se laisser guider par le système pour obtenir un résultat donné en rebouclant l’expérience sur elle-même: on parle d’optimisation en boucle fermée. Pour pousser le système à produire un résultat donné (maximiser une fluorescence, favoriser un produit de réaction), on le fait interagir avec un grand nombre d’impulsions fortement mise en forme. On mesure la réponse du sytème à ces impulsions, et en fonction de leur pertinence, un algorithme génère de nouvelles mises en forme que l’on teste à nouveau. Les trois éléments clefs de cette technique sont la génération d’impulsions fortement mises en forme, c’est-à-dire un gd nbre de param de contrôle au niveau du façonneur; la possibilité de programmer de nvelles mises en forme rapidement et l’utilisation d’un algorithme d’optimisation. Il a fallu attendre 6 ans pour que les différentes difficultés techniques soient résolues et voir les premiers résultats. M: LE FACONNEUR! Donner def! TR: Très rapidement cette technique a été employée pour le contrôle de nbreux systèmes et ce avec gd succès. Pour contrôler des systèmes complexes: Beaucoup de paramètres de contrôle (~500). Mise en forme PROGRAMMABLE. Algorithme d’optimisation.

5 Pour contrôler des systèmes complexes:
Le cadre: contrôle cohérent... Contrôle de systèmes complexes Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée Théorie Expérience Judson et Rabitz PRL, 68, (10), 1992 Rabitz, et al. Science, 259, 1993 Gerber, et al. Science, 282, 1998 Gerber, et al., CP, 267, (1-3), 2001 Optimiser le signal mesuré Système complexe Façonneur Algorithme d’évolution Mesure Forme L’idée est de se laisser guider par le système pour obtenir un résultat donné en rebouclant l’expérience sur elle-même: on parle d’optimisation en boucle fermée. Pour pousser le système à produire un résultat donné (maximiser une fluorescence, favoriser un produit de réaction), on le fait interagir avec un grand nombre d’impulsions fortement mise en forme. On mesure la réponse du sytème à ces impulsions, et en fonction de leur pertinence, un algorithme génère de nouvelles mises en forme que l’on teste à nouveau. Les trois éléments clefs de cette technique sont la génération d’impulsions fortement mises en forme, c’est-à-dire un gd nbre de param de contrôle au niveau du façonneur; la possibilité de programmer de nvelles mises en forme rapidement et l’utilisation d’un algorithme d’optimisation. Il a fallu attendre 6 ans pour que les différentes difficultés techniques soient résolues et voir les premiers résultats. M: LE FACONNEUR! Donner def! TR: Très rapidement cette technique a été employée pour le contrôle de nbreux systèmes et ce avec gd succès. Pour contrôler des systèmes complexes: Beaucoup de paramètres de contrôle (~500). Mise en forme PROGRAMMABLE. Algorithme d’optimisation. Façonneur

6 Contrôle de systèmes complexes
Le cadre: contrôle cohérent... Contrôle de systèmes complexes Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée Théorie Expérience Judson et Rabitz PRL, 68, (10), 1992 Rabitz, et al. Science, 259, 1993 Gerber, et al. Science, 282, 1998 Gerber, et al., CP, 267, (1-3), 2001 Optimiser le signal mesuré Système complexe Façonneur Algorithme d’évolution Mesure Forme Magie de contrôler des systèmes jusqu’ici inaccessibles au contrôle car trop complexes… L’exploit technique que représente le contrôle de ces système apporte peu en terme de physique. Aujourd’hui, de nbreuses équipes se penchent sur l’information que l’on peut retirer de ce optimisations pour mieux comprende la physique du système contrôlé. TR: //ment, les façonneurs ont aussi été utilisés avec succès sur des systèmes simples. 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

7 Contrôle cohérent: ouverture…
Le cadre: contrôle cohérent... Contrôle cohérent: ouverture… Contrôle en boucle ouverte de systèmes simples Théorie Expérience Montrer un nouvel effet? Système Simple Façonneur Théorie Mesure Forme Meshulach, Silberberg Nature, 396 1998 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 M: montrer un nouvel effet -> résultat Place importante du façonneur. Equipe thèse plutôt ds cette thématique de contrôle de systèmes simples. Voilà pr le cadre général ds lequel se place ma thèse. TR: Pour conclure cette introduction, je souhaite insister sur ce que les façonneurs (disp. mise en forme) ont apporté aux exp. de contrôle cohérent.

8 L’apport des façonneurs au contrôle cohérent:
Le cadre: contrôle cohérent... 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. De multiples apports des façonneurs au contrôle cohérent: Pr les systèmes complexes ils apportent un outil de contrôle qui s’applique sans véritable modification à des systèmes très divers. Il semble aussi possible d’en apprendre d’avantage sur la physique de ces systèmes en étudiant les optimisations effectuées. Pr les systèmes simples et même de façon plus générale pour les expériences de spectroscopie fs, ils constituent des dispositifs versatiles qui permettent le test et la mise en œuvre rapide d’idées nouvelles: prototypage rapide. Le grand nbre de param libre autorise la réalisation de formes cplx permettant de mettre en avant des effets nouveaux. Enfin, ils simplifient la réalisation de séquences d’impulsions avec des précisions interférométriques. TR: Voici pour le cadre ds lequel prend place mon travail de thèse. (Prototypage rapide: on peut tester une idée très rapidement sans développer et construire de nouveau dispositif expérimental. Différence entre la entre calcul à la main et ordinateur avec un programme de calcul symbolique Ouvre les mêmes possibilités et le même gain de temps. Comporte les mêmes risques d’arriver rapidement à une conclusion erronée à cause d’une mauvaise utilisation.)

9 Au menu Mise en forme d’impulsions (femtoseconde)
Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples. Au menu Mise en forme d’impulsions (femtoseconde) Caractérisation d’impulsions (femtoseconde) M: changer titr II ou insister plus sur unict nvelle méthode: Nvelle technique de caractérisation Conclusion - Perspective

10 I. Mise en forme d’impulsions
Façonneur Problématique Comment façonner l’ultracourt ? Paramètres clefs Mise en œuvre 2. Détailler les techniques actuelles pour mieux comprendre…

11 I. Mise en forme d’impulsions
I. Mise en forme d’impulsions 1. Problématique I. Mise en forme d’impulsions Façonneur Problématique Comment façonner l’ultracourt ? Paramètres clefs Mise en œuvre

12 Ultracourt: pas de façonnage temporel
I. Mise en forme d’impulsions 1. Problématique Ultracourt: pas de façonnage temporel Il n’existe pas de modulateur temporel assez rapide (électro-optiques ~ 500 fs) Toute l’information est présente dans le domaine spectral Contrôle en PHASE et AMPLITUDE du champ spectral

13 Mise en forme spectrale
I. Mise en forme d’impulsions 1. Problématique Mise en forme spectrale Fonction de transfert dont on contrôle la phase et l’amplitude Filtre spectral linéaire et passif: pas d’amplification et aucune nouvelle fréquence.

14 I. Mise en forme d’impulsions
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? I. Mise en forme d’impulsions Façonneur Problématique Comment façonner l’ultracourt ? Paramètres clefs Mise en œuvre

15 Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f)
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) Froehly, et al., Progress in optics, 20, 1983 f L1 L2 Plan de Fourier G1 G2 dispersion angulaire Etaler spatialement les composantes spectrales. Pour l’instant ce n’est pas encore un façonneur. L’impulsion n’est pas modifiée par la traversée du façonneur

16 Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque fixe f
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque fixe f L1 L2 Masque G1 G2 dispersion angulaire Etaler spatialement les composantes spectrales. Pour l’instant ce n’est pas encore un façonneur.

17 Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque programmable
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque programmable Weiner, A.M., RSI, 71, (5), 2000 f L1 L2 G1 G2 dispersion angulaire Une analyse très basique donne un lien simple entre le masque spatial et la fonction de transfert spectrale. Enoncer les différents types de masques: CL, MAO transverses, miroir à membrane déformable, miroir micro-structurés. Cette technique a permis mise en forme d’impulsions très variées. Elle est très efficace. Par contre, c’est un dispositif optique complexe. M: M(X)

18 Autre approche récente
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Autre approche récente Filtre Acousto-Optique Dispersif Programmable (AOPDF) Interaction colinéaire entre l’impulsion laser et une onde acoustique. Axe rapide Autocompensation de la dispersion du cristal. Cette technique repose sur l’interaction collinéaire entre l’impulsion à mettre en forme et une onde acoustique on sein d’un cristal biréfringent. Par diffraction de Bragg sur l’onde acoustique, les différentes composantes spectrales de l’impulsion basculent de l’axe rapide à l’axe lent. En fonction de l’onde programmée, on choisit l’endroit dans le cristal où une composante basculera, ainsi que l’efficacité de cette diffraction. On contrôle ainsi la phase et l’amplitude des composantes spectrales. Lien très simple entre l’onde acoustique et la mise en forme spectrale. En effet, la fction de transfert de ce façonneur correspond à l’onde acoustique dans le domaine spectral, affectée d’un facteur d’échelle alpha. Celui-ci, lié aux propriétés de propagation de l’onde acoustique et de l’impulsion optique dans le cristal, permet de passer des 10aine de MHz (domaine acoustique) aux 100aines de THz(domaine optique). Pour obtenir en sortie une impulsion inchangée, le façonneur doit compenser la dispersion du cristal biréfringent: auto-comp. Dispositif simple et compacte. TR: Ces deux types de façonneurs ont été initialement développés pour travailler dans le proche IR (800 nm). TR: Ces deux types de façonneurs ont été en premier lieu utilisé dans le proche IR puis ont été exporté à d’autres gammes spectrales. Je vais maintenant dresser un bilan non-exhaustif de ce qui existe à l’heure actuelle pour façonner des impulsions fs. Axe lent Verluise, et al, OL, 25, (8), 2000

19 Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Impulsions très
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004 Impulsions très complexes (ligne 4f) Seres, et al., OL, 28 , (19), 2003 Impulsions très courtes et intenses (AOPDF) Et il existe à l’heure actuelle de nombreux résultats dans cette gamme de longueur d’onde. Par exemple, l’équipe de Ferenc Krausz a obtenu avec l’AOPDF des impulsions très courtes et intenses. A Toulouse, nous avons réalisé des impulsions très fortement mises en forme à l’aide du façonneur que j’ai réalisé et que je vais détailler par la suite. TR: ces techniques ont aussi été mise en œuvre dans le visible. Beaucoup d’autres résultats …

20 Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Façonnage large bande (ligne 4f) Zeidler, et al. OL, 26, (23), 2001 Façonnage accordable (AOPDF) Monmayrant, et al., APB, 2005 Les lignes à dispersions nulles sont ainsi utilisées dans le visible depuis longtemps. Par contre, l’AOPDF n’a été adaptée aux longueurs d’onde visibles que récemment et cela constitue d’ailleurs une partie de mon travail de thèse que je n’ai malheureusement pas le temps de détailler aujourd’hui. De nombreuses équipes travaillent à la mise en forme des impulsions dans d’autres gammes spectrales, comme l’IR moyen ou l’UV. TR: Il existe donc un grand nombre de façonneurs différents et on peut se perdre au moment de choisir celui qu’il nous faut pour une application donnée. Beaucoup d’autres résultats …

21 I. Mise en forme d’impulsions
I. Mise en forme d’impulsions 3. Paramètres clefs I. Mise en forme d’impulsions Façonneur Problématique Comment façonner l’ultracourt ? Paramètres clefs Mise en œuvre TR: Pour aider à s’y retrouver, il existe des paramètres clefs qu’il faut quantifier en fonction de l’application choisie. Ces paramètres peuvent, d’un façonneur à l’autre, varier sur plusieurs ordre de grandeur et il n’existe pas de mouton à cinq pattes des façonneurs qui soit le plus performant ds ts les domaines, il faut donc faire des compromis…

22 Paramètres clefs: compromis…
I. Mise en forme d’impulsions 3. Paramètres clefs Paramètres clefs: compromis… Transmission (1% → 90%) Phase/Amplitude Phase seule Amplitude seule Complexité (10 → 1000) Façonneur L’énergie qui peut transiter par le façonneur est limitée ainsi que son efficacité de transmission ce qui réduit l’énergie disponible pour l’impulsion mise en forme. Le contrôle spectral peut être total (phase et amplitude) ou partiel. Le taux de rafraîchissement peut aussi être un point important dans l’utilisation en boucle fermée. Enfin, la complexité des impulsions en sortie ainsi que leur propreté (cad leur contraste) peuvent être des points sensibles. TR: Je vais maintenant détailler un de ces points… Seuil de dommage Energie en entrée (µJ → mJ) Contraste Taux de rafraîchissement (Hz → 100kHz) Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…

23 Paramètres clefs: compromis…
I. Mise en forme d’impulsions 3. Paramètres clefs Paramètres clefs: compromis… Transmission (1% → 90%) Phase/Amplitude Phase seule Amplitude seule Complexité (10 → 1000) Façonneur TR: …la complexité, qui est pê le moins évident et qui a une importance particulière pour la suite de mon propos. Seuil de dommage Energie en entrée (µJ → mJ) Contraste Taux de rafraîchissement (Hz → 100kHz) Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…

24 Complexité: une définition simple
I. Mise en forme d’impulsions 3. Paramètres clefs Complexité: une définition simple Double contrainte: bande spectrale limitée et résolution finie. Dire que complexité varie beaucoup entre qques milliers pour acousto-optiques transverses et la dizaine pour des miroirs déformables. Weiner et al, JOSAB, 5, (8), 1988 Complexité élevée => impulsions fortement façonnées.

25 I. Mise en forme d’impulsions
I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre I. Mise en forme d’impulsions Façonneur Problématique Comment façonner l’ultracourt ? Paramètres clefs Mise en œuvre Contrôle total haute résolution: il faut contrôler phase et amplitude spectrales et ce avec une complexité élevée. Notre façonneur est composé d’une ligne à dispersion nulle avec un masque à cristaux liquides pixellisé. Pour maximiser la complexité nous avons étalé au maximum les composantes spectrales au niveaux du plan de Fourier et utilisé un masque avec un grand nombre de pixels.

26 Simplement maximiser la complexité
I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Simplement maximiser la complexité 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. Pour maximiser la dispersion spatiale, nous avons utilisé la ligne 4f schématisée ici. Le parcours est le suivant: Le premier res. Disp. impulsion d’entrée vers un mir de repli qui renvoie les cptes spectrales vers un mir. cyl. Celui-ci focalise les cptes ds le plan de Fourier symb. par rect rose. La 2ème moitié est sym: mir cyl., mir de rpli et rés qui recombine les cptes spectrales pour obtenir imp. de sortie. Cette géom. permet d’éviter les diftes aber. (chromatique ou d’exentrement) qui pourraient déteriorer faisceau de sortie. Elle se distingue par l’emplois de réseau très dispersif et des miroirs de grande focale.

27 Simplement maximiser la complexité
I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Simplement maximiser la complexité 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. Pour maximiser la dispersion spatiale, nous avons utilisé la ligne 4f schématisée ici. Le parcours est le suivant: Le premier res. Disp. impulsion d’entrée vers un mir de repli qui renvoie les cptes spectrales vers un mir. cyl. Celui-ci focalise les cptes ds le plan de Fourier symb. par rect rose. La 2ème moitié est sym: mir cyl., mir de rpli et rés qui recombine les cptes spectrales pour obtenir imp. de sortie. Cette géom. permet d’éviter les diftes aber. (chromatique ou d’exentrement) qui pourraient déteriorer faisceau de sortie. Elle se distingue par l’emplois de réseau très dispersif et des miroirs de grande focale.

28 Simplement maximiser la complexité
I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre 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 Le problème était simple: haute résolution en phase ou basse résolution en phase et amplitude. Nous voulions un contrôle complet haute résolution: association de 2 masques de phase haute résolution. Stobrawa, et al., APB, 72, (5), 2001

29 Simplement maximiser la complexité
I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Simplement maximiser la complexité HRPS Stobrawa, phase seulement avec même nbre de pix: n au mieux 3 fois plus faible. Dirk avec 128pix phase/amp: n environs 6 fois plus faible. Performances: - fenêtre de 35 ps (0,06 nm/pixel). - h~220, h maxi de 350. - transmission totale: 70%. - seuil de dommage: 300 GW/cm². Monmayrant et Chatel RSI, 75, (8), 2004

30 Les choses simples ne le sont pas
I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Les choses simples ne le sont pas Alignement ligne 4f : 32 degrés de liberté? Alignement des masques : 6 degrés de liberté 40 cm <-> 3µm Fabrication des supports TR: Il s’agit de contraintes techniques, mais la physique en jeux est aussi très complexe… Calibration / Programmation: pas toujours faite comme il le faudrait

31 Physique complexe Pixellisation et interstices Couplage spatiotemporel
I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Physique complexe Pixellisation et interstices Couplage spatiotemporel TR: J’ai dit que le lien entre masque prgrammé et fonction de transfert est simple: à l’ordre 0. A l’ordre 1 il faut tenir compte de nbreux effets. A commencer par la pixellisation du masque qui crée des répliques temporelles. Les interstices entre les pixels créent eux aussi des répliques dt la plus gênante est une copie de l’impulsion non mise en forme que l’on retrouve au délai nul. Vous voyez ici ce que l’on obtient en programmant une impulsion à dérive de fréquence étalée sur 10 ps: en noir sans tenir compte des interstices, en rouge avec une compensation adaptée. Un autre élément non trivial est le couplage spatiotemporel: dans le plan de Fourier, le masque agit à la fois sur les composantes spatiales et spectrales de l’impulsion d’entrée. Cela se traduit en sortie par une action couplée en temps et en position transverse: comme on peut le voir sur cet exemple d’une séquence de 3 impulsions crée par le façonneur, à un décalage temporel s’ajoute un décalage spatial par rapport à l’axe de propagation. Dernier point complexe: au niveau du masque à CL, les composantes spectrales ne sont pas étalées linéairement en position. Si on se contente d’une approximation linéaire, on aura une distorsion des impulsions. C’est ce qui est illustré ici avec deux séquences de neufs impulsions, représentées en temps et en fréquence: en l’absence de programmation adéquate, les impulsions présentent une dérive de fréquence proportionnelle au délai: c’est ce que traduit cette forme en éventail. En tenant compte de la dispersion non-linéaire, on évite cette distorsion. TR: Toutes ces complications montrent combien il est important de disposer de technique de mesure des impulsions façonnées, ne serait-ce que pour les corriger ou les contrôler. J’en viens donc tout naturellement à ma seconde partie. Dispersion spatiale non-linéaire

32 II. Caractérisation d’impulsions
Mesurer l’ultracourt ? Que sont lesTransitoires Cohérents ? Une sonde sensible Reconstruction de fonction d’onde atomique Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

33 II. Caractérisation d’impulsions
II. Caractérisation d’impulsions 1. Mesurer l'ultracourt ? II. Caractérisation d’impulsions Mesurer l’ultracourt ? Que sont lesTransitoires Cohérents ? Une sonde sensible Reconstruction de fonction d’onde atomique Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

34 Mesure ou caractérisation complète?
II. Caractérisation d’impulsions 1. Mesurer l'ultracourt ? Mesure ou caractérisation complète? Mesurer l’impulsion: déterminer Il n’existe pas de détecteur temporel assez rapide (caméras à balayage de fente ~ 500 fs) Dire que pour moi mesure sera synonyme de caractérisation complète. Caractérisation complète: déterminer l’amplitude et la phase dans le domaine spectral ou temporel.

35 Mesures à référence Ex: corrélation interférométrique du premier ordre
II. Caractérisation d’impulsions 1. Mesurer l'ultracourt ? Mesures à référence Ex: corrélation interférométrique du premier ordre Photodiode TR: Pour la caractérisation d’impulsions fortement façonnées, on pourrait penser utiliser des techniques à référence ou des techniques auto-référencées. Malheureusement ces techniques sont plus adaptées aux impulsions proches de la limite par transformée de Fourier qu’aux impulsions très complexes. 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,..)

36 II. Caractérisation d’impulsions
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? II. Caractérisation d’impulsions Mesurer l’ultracourt ? Que sont lesTransitoires Cohérents ? Une sonde sensible Reconstruction de fonction d’onde atomique Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

37 Transitoires Cohérents: Théorie
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Transitoires Cohérents: Théorie Interaction entre un système à deux niveaux et une impulsion courte Excitation résonnante en régime perturbatif On s’intéresse à un système à 2 niveaux qui interagit avec une impulsion résonante faible. La théorie est relativement simple et l’amplitude de probabilité transférée à un instant donné s’écrit simplement comme l’intégrale du champ excitateur. Toutes les composantes spectrales vont jouer car on va observer l’état excité durant l’interaction. TR: Les transitoires cohérents apparaissent lorsque l’impulsion excitatrice présente une dérive de fréquence.

38 Transitoires Cohérents: Théorie
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Transitoires Cohérents: Théorie Impulsion limitée par Transformée de Fourier Impulsion à dérive de fréquence -100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 100 t (fs) -2000 -1500 -1000 -500 500 1000 1500 2000 0.000 0.005 0.010 0.015 Nous comparons ici la population transférée par une impulsion limitée par TF (à gche en noir) et une impulsion à dérive de fréquence (à dte en rge). Ds cas d’une impulsion limité TF, le transfert de population est monotone et présente une forme de marche d’escalier. La largeur de cette marche est directement liée à la durée de l’impulsion: une fois l’impulsion éteinte on atteint une valeur asymptotique. Celle-ci est très faible car ns sommes en régime perturbatif. Ds cas d’une impulsion à dérive de fréquence, le transfert de population montre un comportement transitoire assez original: la marche abrupte est suivi d’oscillations qui durent temps que l’impulsion n’est pas éteinte. Ces oscillations sont dues aux interférences entre la contribution résonante qui arrive à t=0 et les contributions non-résonnantes qui arrivent par la suite. TR: On peut aussi expliquer ces oscillations en regardant directement l’évolution de l’amplitude de probabilité dans le plan complexe au cours de l’interaction de l’atome avec l’impulsion à dérive de fréquence.

39 Théorie: Spirale de Cornu
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Théorie: Spirale de Cornu |a e (t)|² Temps P (t) Phase quadratique temporelle e Im(a (t)) Re(a -0.1 0.0 0.1 0.2 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 Cette amplitude de probabilité peut s’écrire analytiquement sous cette forme dans le cas d’une impulsion gaussienne et d’une forte phase quadratique spectrale. Tout va reposer sur la phase quadratique temporelle qui apparaît dans cette expression. On observe que bien que la population soit dissymétrique par rapport à la résonance, l’amplitude de probabilité est symétrique. Elle prend la forme d’une spirale de Cornu, bien connue des opticiens. L’évolution est la suivante: Av résonance, le rayon augmente peu et de façon monotone: c’est ce qu’on retrouve sur la population qui n’est autre que le rayon au carré. Par contre la phase quadratique temporelle évolue très vite ce qui produit une première spirale. La résonance correspond à une condition de phase stationnaire pour l’amplitude de probabilité: le rayon augmente brutalement alors que la phase est presque constante: on a un trajet en ligne droite. Ap la résonance, le rayon tend vers sa valeur asymptotique et la phase se met à nouveau à évoluer très vite, d’où la deuxième spirale. Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

40 Théorie: Spirale de Cornu
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Théorie: Spirale de Cornu |a e (t)|² Temps P (t) Phase quadratique temporelle e Im(a (t)) Re(a -0.1 0.0 0.1 0.2 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 TR: La dissymétrie de la population ne tient qu’au fait que l’amplitude de probabilité tourne autour du centre du repère avant la résonance, alors qu’elle tourne autour d’une valeur non-nulle après la résonance. TR: Après la résonance, le rayon ne peut plus évoluer de manière monotone: selon la position sur la spirale, celui-ci va passer par… Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

41 Théorie: Spirale de Cornu
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Théorie: Spirale de Cornu |a e (t)|² Temps P (t) Phase quadratique temporelle e Im(a (t)) Re(a -0.1 0.0 0.1 0.2 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 TR: … un maxi, puis… Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

42 Théorie: Spirale de Cornu
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Théorie: Spirale de Cornu |a e (t)|² Temps P (t) Phase quadratique temporelle e Im(a (t)) Re(a -0.1 0.0 0.1 0.2 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 TR: … un maxi, puis… Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

43 Théorie: Spirale de Cornu
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Théorie: Spirale de Cornu |a e (t)|² Temps P (t) Phase quadratique temporelle e Im(a (t)) Re(a -0.1 0.0 0.1 0.2 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 TR: … un maxi, puis… Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

44 Observation expérimentale
II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Observation expérimentale on resonance F’’= fs2 t1 t2 -2 2 4 6 8 10 Délai (ps) Fluo. 6p-5s (u. arb.) Les Transitoires Cohérents sont un phénomène cohérent: ils sont sensibles à la phase de l’impulsion de pompe. Il existe différentes expériences de contrôle du comportement transitoire de la population par la mise en forme de l’impulsion de pompe. Une de ces expérience tire parti de l’analogie entre les transitoires cohérents et la diffraction de Fresnel pour réaliser une lentille à zone de Fresnel dans le domaine temporel (J. Degert thèse dans l’équipe). Je vais en présenter une autre, plus simple qui a aussi été réalisée par J. au cours de sa thèse: Déphasage des TC par application d’un saut de phase: si on change le signe du champ électrique après la résonance: on doit voir une inversion des oscillations. Pour expliquer qualitativement cela, je vais m’appuyer sur la correspondance temps-fréquence qui exsite pour une impulsion à forte dérive de fréquence. TR: Zamith, et al, PRL, 87, (3), 2001

45 II. Caractérisation d’impulsions
II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible II. Caractérisation d’impulsions Mesurer l’ultracourt ? Que sont lesTransitoires Cohérents ? Une sonde sensible Reconstruction de fonction d’onde atomique Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

46 Contrôle: temps - fréquence
II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Contrôle: temps - fréquence Temps – fréquence…

47 Contrôle: saut de phase de p
II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Contrôle: saut de phase de p

48 Contrôle: saut de phase de p
II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Contrôle: saut de phase de p

49 Saut de phase de p : expérience
II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Saut de phase de p : expérience |a e (t)| 2 (u. arb.) temps (ps) Saut de phase de p 0,26 nm après la résonance -2 4 6 8 Collaboration avec M. Motzkus (MPQ Garching) Ligne 4f CL 128 pixels 0.26nm/pix Degert,et al, PRL, 89, (20), 2002 Transitoires cohérents très sensibles à la position du saut.

50 Une sonde sensible…. Rb 795 nm, 1kHz 5 µJ, 20ps Rb PM 607 nm 5 µJ
II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Une sonde sensible…. 6d, 8d 5p2P1/2 5s 6p Fluo 420 nm Rb Phase Quadratique NOPA Chaîne LASER 795 nm 1kHz 1 mJ 130 fs 607 nm 5 µJ 30 fs 795 nm, 1kHz 5 µJ, 20ps Rb PM HRPS: 2 CL 640 pixels 0.06nm/pix Saut de phase de p à l variable (pas de 0,06 nm) Nous avons utilisé une technique de pompe-sonde dans l’atome de Rb. Une impulsion La transition 5s 5p1/2 sert de système à deux niveaux. On l’excite avec une impulsion de pompe, à 800 nm présentant une forte dérive de fréquence et un saut de phase de pi. Pour mesurer les transitoires cohérents, une impulsion de sonde transfère une part de la population de l’état 5p1/2 vers des niveaux supérieurs. La fluorescence émise lors de la cascade radiative donn

51 II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible
Cela passe d’abord par la reconstruction de la fonction d’onde atomique. L’idée étant que l’information sur le champ de pompe est codée dans l’amplitude de probabilité dans l’état excité. 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

52 II. Caractérisation d’impulsions
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique II. Caractérisation d’impulsions Mesurer l’ultracourt ? Que sont lesTransitoires Cohérents ? Une sonde sensible Reconstruction de fonction d’onde atomique Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

53 Transitoires Cohérents: amplitude?
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Transitoires Cohérents: amplitude? P e (t) 0.3 0.0 0.1 0.2 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 e Im(a (t)) Re(a Rappeler qu’il n’y a pas de signal car on tourne autour de (0,0). Pas de signal avant la résonance: aucune information sur la première demi-spirale.

54 Transitoires Cohérents: amplitude?
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Transitoires Cohérents: amplitude? 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. 0.3 0.0 0.1 0.2 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 e Im(a (t)) Re(a Rappeler qu’il n’y a pas de signal car on tourne autour de (0,0). Retour sur tester de nouvelles idées, prototypage rapide: nous faisions à l’aide du façonneur des expériences de déphasage de CT avec saut de phase et Bertrand a proposé d’essayer une expérience différente avec deux impulsions: une courte une à dérive de fréquence: ce test entre deux expériences de déphasage n’a été possible que grâce à la versatilité du façonneur…

55 Des transitoires à l’amplitude
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Des transitoires à l’amplitude Deux séquences de deux impulsions avec une phase relative contrôlée On fait apparaître explicitement la phase relative entre les deux impulsions. Ce qui nous intéresse, c’est ae2(tau), c’est-à-dire la spirale de cornu.

56 Reconstruction expérimentale: pré-requis
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Reconstruction expérimentale: pré-requis 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. ? TR: pour tester la capacité de notre façonneur haute résolution à générer de telles séquences avec une stabilité interférométrique, nous avons fait deux tests préliminaires.

57 Reconstruction expérimentale: test
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Reconstruction expérimentale: test Deux impulsions limitées par TF avec une phase relative q… -1 1 2 3 4 5 q=0 q=p |a e2 (t)| (u. arb.) Délai (ps) Intensité (u. arb.) p 1 2 3 4 |a e2 (t)| (u. arb.) Phase q (rad) On a réalisé des séquence de deux impulsions, décalées d’un délai phi1 de 3 ps avec une phase relative theta. Pour nous assurer de la stabilité durant les acquisitions, nous avons tout d’abord généré deux séquences: l’une où les impulsions sont en phase et une où elles sont en opposition de phase. Les profils d’intensités obtenus expérimentalement ne dépdendent pas de la phase. Ils sont présentés ici en rge (en phase) et en bleu (en opposition). Par contre, la population transférée montre clairement leur caractère cohérent: lorsqu’elle sont en phase, leurs contributions s’ajoutent constructivement: la population asymptotique est 4 fois plus élevée que celle transférée par une seule impulsion. Lorsqu’elles sont en opposition de phase, l’interférence est destructive. On a dc bien une stabilité interférométrique du délai. Pour vérifier la capacité à contrôler cette phase, on a observé l’évolution de la population asymptotique en fonction de la phase relative programmée. Les oscillations observées sur le signal expérimental montrent que la phase demandée correspond bien à la phase obtenue. TR: on a donc tout ce qu’il faut pour reconstruire l’amplitude de probabilité.

58 Spirographe atomique…
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Spirographe atomique… expliquer à partir de la formule. PROTOTYPAGE

59 Evolution temporelle de ae2(t)
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Evolution temporelle de ae2(t) Temps (fs) expérimental! Re[a e2 (t)] (u. arb.) Im[a e2 (t)] (u. arb.)

60 Mesure de fonction d’onde
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Mesure de fonction d’onde Qu’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 Importance of phase: Rabi oscillations stop and go:… Shapiro-BB-IW: mesure sur un ensemble de systèmes q et on regarde évolution libre de paquet d’onde. Haroche-Grangier: un seul système q et on regarde évolution Walmsley, J. Phys. B, 31, 1998 Leichtle, et al., PRL, 80 , (7), 1998 Weinacht, et al., PRL, 80, (25), 1998

61 II. Caractérisation d’impulsions
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents II. Caractérisation d’impulsions Mesurer l’ultracourt ? Que sont lesTransitoires Cohérents ? Une sonde sensible Reconstruction de fonction d’onde atomique Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

62 Dérivation du champ électrique
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Dérivation du champ électrique Amplitude de probabilité  Intégrale du champ électrique

63 Reconstruction du champ électrique
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Reconstruction du champ électrique Des transitoires

64 Reconstruction du champ électrique
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Reconstruction du champ électrique Des transitoires … à l’amplitude de probabilité...

65 Reconstruction du champ électrique
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Reconstruction du champ électrique Des transitoires … à l’amplitude de probabilité... … et au champ électrique. TR: Douteux…

66 II. Caractérisation d’impulsions. 5. Caractérisation complète par T
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Mesure de dispersion Dispositif de mesure (avec façonneur) a) barreau Dispositif de mesure (avec façonneur) b) Par différence entre les deux mesures, on détermine la dispersion du barreau de verre:

67 II. Caractérisation d’impulsions. 5. Caractérisation complète par T
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Mesure de dispersion TR: On a donc une technique de caractérisation complète efficace. Pourtant, les habitués de la caractérisation d’impulsions femtoseconde doivent sentir qu’il manque quelque chose. En effet, jusqu’ici, tout semble indiquer que cette caractérisation est absolue, c’est-à-dire sans référence… En fait, j’ai oublié jusqu’ici de tenir compte de la sonde.

68 II. Caractérisation d’impulsions. 5. Caractérisation complète par T
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Effet de la sonde t Fluo TR: En effet, la sonde contribue autant au signal que la pompe, à savoir l’impulsion à caractériser. Le signal expérimental b(tau) que nous avons s’écrit en fait comme la convolution entre la sonde, décalée spectralement, et l’amplitude de probabilité liée à l’impulsion à caractériser. En dérivant ce signal et en prenant la transformée de Fourier du résultat, on n’obtient plus l’impulsion de pompe décalée spectralement, mais cette dernière multipliée par la sonde, elle aussi décalée spectralement et symétrisée. On est donc clairement en présence d’une méthode de caractérisation à référence: à partir du signal S~(w), il nous faut connaître la sonde pour déterminer la pompe, ou inversement. Ce signal est inhabituel: la partie basse fréquence de la pompe s’ajoute à la partie haute fréquence de la sonde pour vérifier l’accord de la transition à 2photons de g vers f. Pour que le signal b(tau) puisse être assimilé à l’amplitude de proba, il faut que la sonde soit courte. Mais pas pour l’utiliser comme un signal de caractérisation complète à référence: la sonde peut être longue, du moment qu’elle est parfaitement caractérisée. TR: En quoi notre méthode de caractérisation par TC se distingue-t-elle des méthode à référence habituelles. 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.

69 Technique adaptée aux impulsions fortement façonnées:
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Une technique de plus? 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. 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.

70 Conclusion - Perspectives
III. Conclusion - Perspectives Conclusion Perspectives Façonneur 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.

71 Conclusion - Perspectives
III. Conclusion - Perspectives Conclusion Perspectives Façonneur haute résolution Forte complexité (35 ps / 100 fs). Grande efficacité (70%). Seuil de dommage élevé. Transfert à l’UV. Contrôle optimal (molécules). Une idée? Essayons… 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.

72 Conclusion - Perspectives
III. Conclusion - Perspectives Conclusion Perspectives Façonneur haute résolution Forte complexité (35 ps / 100 fs). Grande efficacité (70%). Seuil de dommage élevé. Transfert à l’UV. Contrôle optimal (molécules). Une idée? Essayons… Mesure de fonction d’onde Amplitude de probabilité à l’échelle fs. Système en interaction. Sonde vers un continuum (ionisation). Plusieurs niveaux excités. Caractérisation complète A référence à deux couleurs. Très haute résolution. Impulsions très étirées.

73 Conclusion - Perspectives
III. Conclusion - Perspectives Conclusion Perspectives Façonneur haute résolution Forte complexité (35 ps / 100 fs). Grande efficacité (70%). Seuil de dommage élevé. Transfert à l’UV. Contrôle optimal (molécules). Une idée? Essayons… Mesure de fonction d’onde Amplitude de probabilité à l’échelle fs. Système en interaction. Sonde vers un continuum (ionisation). Plusieurs niveaux excités. Caractérisation complète A référence à deux couleurs. Très haute résolution. Impulsions très étirées. Impulsions UV. Sonde vers un continuum. Impulsions très complexes.

74 Le façonneur peut ressembler à une solution sans problème pour reprendre ce qui a été dit pour les laser à une certaine époque. Je pense qu’il lève un grand nombre d’obstacles pratiques.

75 Comparaison: mesure à référence
II. Caractérisation d’impulsions 5. Caractérisation complète par T. Cohérents Comparaison: mesure à référence “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.

76 Physique complexe Pixellisation et interstices Couplage spatiotemporel
I. Mise en forme d’impulsions 4. Notre contribution Physique complexe Pixellisation et interstices Couplage spatiotemporel TR: J’ai dit que le lien entre masque prgrammé et fonction de transfert est simple: à l’ordre 0. A l’ordre 1 il faut tenir compte de nbreux effets. A commencer par la pixellisation du masque qui crée des répliques temporelles. Les interstices entre les pixels créent eux aussi des répliques dt la plus gênante est une copie de l’impulsion non mise en forme que l’on retrouve au délai nul. Vous voyez ici ce que l’on obtient en programmant une impulsion à dérive de fréquence étalée sur 10 ps: en noir sans tenir compte des interstices, en rouge avec une compensation adaptée. Un autre élément non trivial est le couplage spatiotemporel: dans le plan de Fourier, le masque agit à la fois sur les composantes spatiales et spectrales de l’impulsion d’entrée. Cela se traduit en sortie par une action couplée en temps et en position transverse: comme on peut le voir sur cet exemple d’une séquence de 3 impulsions crée par le façonneur, à un décalage temporel s’ajoute un décalage spatial par rapport à l’axe de propagation. Dernier point complexe: au niveau du masque à CL, les composantes spectrales ne sont pas étalées linéairement en position. Si on se contente d’une approximation linéaire, on aura une distorsion des impulsions. C’est ce qui est illustré ici avec deux séquences de neufs impulsions, représentées en temps et en fréquence: en l’absence de programmation adéquate, les impulsions présentent une dérive de fréquence proportionnelle au délai: c’est ce que traduit cette forme en éventail. En tenant compte de la dispersion non-linéaire, on évite cette distorsion. TR: Toutes ces complications montrent combien il est important de disposer de technique de mesure des impulsions façonnées, ne serait-ce que pour les corriger ou les contrôler. J’en viens donc tout naturellement à ma seconde partie. Stobrawa, et al., APB, 72, 2001 Dispersion spatiale non-linéaire

77 Le façonneur peut ressembler à une solution sans problème pour reprendre ce qui a été dit pour les laser à une certaine époque. Je pense qu’il lève un grand nombre d’obstacles pratiques.

78 Le façonneur peut ressembler à une solution sans problème pour reprendre ce qui a été dit pour les laser à une certaine époque. Je pense qu’il lève un grand nombre d’obstacles pratiques.

79 Des transitoires à l’amplitude
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Des transitoires à l’amplitude Deux séquences de deux impulsions avec une phase relative contrôlée On fait apparaître explicitement la phase relative entre les deux impulsions. Ce qui nous intéresse, c’est ae2(tau), c’est-à-dire la spirale de cornu. Dire que dans le plan complexe, la contribution de la deuxième impulsion est l’amplitude de probabilité que l’on veut reconstruire. Dans deuxième cas, elle est tournée de alpha. Alpha sur la figure

80 Des transitoires à l’amplitude
II. Caractérisation d’impulsions 4. Reconstruction de fonction d’onde atomique Des transitoires à l’amplitude Deux séquences de deux impulsions avec une phase relative contrôlée Reconstruction géométrique r0(t), r1(t). On fait apparaître explicitement la phase relative entre les deux impulsions. Ce qui nous intéresse, c’est ae2(tau), c’est-à-dire la spirale de cornu. Dire que dans le plan complexe, la contribution de la deuxième impulsion est l’amplitude de probabilité que l’on veut reconstruire. Dans deuxième cas, elle est tournée de alpha. Alpha sur la figure

81 Reconstruction géométrique
III. Caractérisation d’impulsions 3. Reconstruction de fonction d'onde atomique Reconstruction géométrique

82 Reconstruction géométrique
III. Caractérisation d’impulsions 3. Reconstruction de fonction d'onde atomique Reconstruction géométrique

83 Reconstruction géométrique
III. Caractérisation d’impulsions 3. Reconstruction de fonction d'onde atomique Reconstruction géométrique

84 Reconstruction géométrique
III. Caractérisation d’impulsions 3. Reconstruction de fonction d'onde atomique Reconstruction géométrique La rotation permet de superposer les deux chemins correspondants à ae2(tau) qui est l’amplitude de probabilité qui nous intéresse.

85 Reconstruction géométrique
III. Caractérisation d’impulsions 3. Reconstruction de fonction d'onde atomique Reconstruction géométrique Changement de repère pour bien avoir ae2(tau) qui débute en (0,0). En fait, toutes ces transformations permettent de ramener le problème de la reconstruction de l’amplitude de probabilité à des intersections de cercles: pour chaque délai tau, on cherche l’intersection entre les cercles de centres P0 et P1 et de rayons respectifs r0 et r1. Les points P0 et P1 sont connus du moment qu’on connaît alpha et que les deux impulsiosn sont séparées. On a deux solutions symétrique l’une de l’autre par rapport à (P0P1): la solution physique correspond à celle qui démarre autour de (0,0)

86 FROG (Frequency Resolved Optical Gating)
Spectromètre Autres techniques: -dérivés du FROG (THG-FROG, XFROG, TOAD,…). -SPIDER (Spectral Interferometry for Direct Electricfield Reconstruction) et ses dérivés (M-SPIDER, HOT SPIDER,…).

87 SPIDER fixe C. Iaconis et I. A. Walmsley, Opt. Letter 23 (1998) 792

88 HOT SPIDER C. Dorrer et al, Opt. Letter 26 (2001) 1510

89 « Nettoyage » d’impulsions Contrôle cohérent de processus non-linéaire
L’art du compromis… « Nettoyage » d’impulsions avant 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 TDE PLUS LA DESSUS? Choix des paramètres dépend de l’utilisation qu’on veut en faire: dépend du système étudié. Compromis à faire. Nettoyage /= cc.

90 Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Impulsions très
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004 Impulsions très complexes (ligne 4f) Seres, et al., OL, 28 , (19), 2003 Impulsions très courtes et intenses (AOPDF) Beaucoup d’autres résultats …

91 Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Façonnage large bande (ligne 4f) Zeidler, et al. OL, 26, (23), 2001 Façonnage accordable (AOPDF) Monmayrant, et al., APB, 2005 Beaucoup d’autres résultats …

92 Différence de fréquence
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Différence de fréquence Façonnage direct? (ligne 4f CL-2D) Witte, et al, APB, 76, (4), 2003 Vaughan, et al. OL, 30, (3), 2005 Belabas, et al. OL, 26, (10), 2001

93 Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Somme de fréquence
I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Aujourd’hui… IR moyen IR proche - rouge Visible UV Somme de fréquence Hacker et al JOSAB, 18, (6), 2001 Façonnage direct: ligne 4f Hacker, et al. APB, 76, (6), 2003 micro-miroirs Roth, et al APB, 80, (4 - 5), 2005 masque acousto-optique (Hacker 2001: UV=200nm) (Hacker 2003: UV=400nm MEMs marchent ds nm) (Roth 2005: UV=400nm AOM SiO2 marche jusqu’à 180nm) TR: On peut se perdre dans cette faune de façonneurs différents les uns des autres. Comment déterminer celui qu’il nous faut, pour une application donnée?


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