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Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde: des Plasmas au Redressement Optique dans les cristaux Ciro DAmico 1, A. Houard 2, B. Prade 2, V.

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1 Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde: des Plasmas au Redressement Optique dans les cristaux Ciro DAmico 1, A. Houard 2, B. Prade 2, V. T. Tikhonchuk 3, A. Mysyrowicz 2, E. Freysz 1 1 Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne, Université de Bordeaux 1, CNRS UMR 5798, Talence, France. 2 Laboratoire dOptique Appliquée, ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS UMR 7639, Palaiseau, France 3 Centre Lasers Intenses et Applications, Université de Bordeaux 1, CEA, CNRS UMR 5798, Talence, France.

2 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-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Technique de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. DAmico, JPU 2009

3 Gap La région du spectre électromagnétique dite THz 10cm1mm100nm10µm1nm THz MW IRUVRayons-X Rayons- γ Ondes Radio Hz Hz photonique électronique C. DAmico, JPU 2009

4 Gap La région du spectre électromagnétique dite THz 10cm1mm100nm10µm1nm THz MW IRUVRayons-X Rayons- γ Ondes Radio Hz Hz Sources THz pulsées générées par des impulsions laser ultracourtes photonique électronique C. DAmico, JPU Génération de couples électron-trou - Effets non linéaires du 2 ème ordre - Effets non linéaires du 3 ème ordre - Photo-ionisation et effets ponderomoteurs

5 Méthode de mesure du champ électrique transitoire THz II+ ε- ε λ/4 WP Sonde optique Cristal EO (χ (2) 0 ) PD 1 PD 2 - Détection Synchrone ZnTe ( 4 THz ) GaP ( 11 THz ) … La méthode Electro-Optique C. DAmico, JPU 2009 THz

6 C. DAmico, JPU 2009 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-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions

7 Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs Densité de porteurs de charge C. DAmico, JPU 2009 THz Champ THz transitoire

8 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 C. DAmico, JPU 2009 THz Champ THz transitoire

9 C. DAmico, JPU 2009 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-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions

10 Sources THz par filamentation C. DAmico, JPU 2009

11 Sources THz par filamentation C. DAmico, JPU 2009

12 C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007) Sources THz par filamentation C. DAmico, JPU 2009

13 C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007) Sources THz par filamentation C. DAmico, JPU 2009

14 C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007) Sources THz par filamentation C. DAmico, JPU 2009

15 C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007) Sources THz par filamentation C. DAmico, JPU 2009

16 C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007) Sources THz par filamentation C. DAmico, JPU 2009

17 C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007) Sources THz par filamentation C. DAmico, JPU 2009

18 Sources THz par filamentation (sources de plasma) + - Transition-Cherenkov, efficacité C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, ( 2007) C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, ( 2008) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov C. DAmico, JPU 2009

19 Sources THz par filamentation (sources de plasma) Transition-Cherenkov, efficacité C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, ( 2007) C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, ( 2008) Transition-Cherenkov + champ électrique transversale efficacité A. Houard et al., Phys. Rev. Lett. 100, ( 2008) Transition-Cherenkov + champ électrique longitudinale efficacité kV) Yi Liu et al., Appl. Phys. Lett. 93, ( 2008) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov C. DAmico, JPU 2009

20 Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. DAmico, JPU 2009

21 Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. DAmico, JPU 2009

22 Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. DAmico, JPU 2009

23 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-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions

24 Redressement optique dans les cristaux non linéaires P (2) (Ω) = ε 0 χ (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 C. DAmico, JPU 2009

25 Redressement optique dans les cristaux non linéaires P (2) (Ω) = ε 0 χ (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 Accord de phase V φ,THz = V g,IR n φ,THz = n g,IR C. DAmico, JPU 2009

26 Redressement optique dans les cristaux non linéaires P (2) (Ω) = ε 0 χ (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 Cristal: ZnTe (n φ,THz n g,IR ) Accord de phase V φ,THz = V g,IR n φ,THz = n g,IR C. DAmico, JPU 2009

27 Redressement optique dans les cristaux non linéaires P (2) (Ω) = ε 0 χ (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 Cristal: ZnTe (n φ,THz n g,IR ) Accord de phase V φ,THz = V g,IR n φ,THz = n g,IR C. DAmico, JPU 2009 Cristal: LiNbO 3 (n φ,THz 2n g,IR ) Inclinaison du front donde: α = atan(n φ,THz /n g,IR ) 63°

28 Redressement optique dans les cristaux non linéaires P (2) (Ω) = ε 0 χ (2) (Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E * (ω-Ω)E(ω) ~ χ (2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) Accord de phase V φ,THz = V g,IR n φ,THz = n g,IR IR THz Cristal Cristal: ZnTe (n φ,THz n g,IR ) Cristal: LiNbO 3 (n φ,THz 2n g,IR ) Inclinaison du front donde: α = atan(n φ,THz /n g,IR ) 63° C. DAmico, JPU 2009

29 Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front donde dans le LiNbO 3 C. DAmico, JPU 2009

30 Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front donde dans le LiNbO 3 C. DAmico, JPU 2009 Taux de conversion photon (800 nm) 3.7 photons (1 THz) ! Taux de conversion Etude théorique: L. Palfalvi et al., Appl. Phys. Lett. 92, (2008)

31 Redressement optique dans les cristaux non linéaires C. DAmico, JPU 2009 Taux de conversion Taux de conversion

32 C. DAmico, JPU 2009 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-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions

33 C. DAmico, JPU 2009 J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Train dimpulsions Opt. Impulsion THz Avec les bonnes paramètres Δt, N Δt, N cristal Le principe … Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz

34 Mise en forme spatiale à laide dun masque de phase à cristaux liquides Δr, N Une technique récente (CPMOH) C. DAmico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009) C. DAmico, JPU 2009 J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Train dimpulsions Opt. Impulsion THz Avec les bonnes paramètres Δt, N Δt, N cristal Le principe … Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz

35 Propagateur de Fresnel Couplage spatio-temporel en champ intermédiaire Mise en forme spatiale à laide dun masque de phase à cristaux liquides Δr, N Une technique récente (CPMOH) C. DAmico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009) C. DAmico, JPU 2009 J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Train dimpulsions Opt. Impulsion THz Avec les bonnes paramètres Δt, N Δt, N cristal Le principe … Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz

36 R = 4 mm R 1 = 2 mm R 2 = 4 mm C. DAmico, JPU 2009 Z = 4 cm

37 Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Théorie Expérience La source se comporte comme une lentille de Fresnel C. DAmico, JPU 2009

38 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-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions

39 Applications 10cm1mm100nm10µm1nm THz MW IRUVRayons-X Rayons- γ Ondes Radio C. DAmico, JPU 2009

40 10cm1mm100nm10µm1nm THz MW IRUVRayons-X Rayons- γ Ondes Radio le cristal β-BaB 2 O 4 (BBO) J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, (2008) Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz C. DAmico, JPU 2009 Applications

41 10cm1mm100nm10µm1nm THz MW IRUVRayons-X Rayons- γ Ondes Radio le cristal β-BaB 2 O 4 (BBO) J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, (2008) Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz Détection en temps réel de lévolution du champ électrique THz (accès direct à lamplitude et à la phase des impulsions) On peut extraire plus dinformation que dans le cas optique! Originalité par rapport à la Spectroscopie dans le domaine optique C. DAmico, JPU 2009 Applications

42 CONCLUSIONS 4 techniques pour la génération dimpulsions THz par lasers ultracourts o Les antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs o Plasma: filamentation femtoseconde o Plasma: Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) o Le redressement optique: ZnTe, LiNbO 3 (champ THz intense) Technique de mise en forme spectrale e spatiale dans le redressement optique o Mise en forme spatiale du faisceau de pompe (à laide dun masque de phase CL) o Control du couplage Spatio-temporel en champ intermédiaire Application à loptique THz non linéaire C. DAmico, JPU 2009

43 Merci


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