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 Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs Impulsions THz produites par interaction laser-plasma 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

La région du spectre électromagnétique dite THz 10cm 1mm 100nm 10µm 1nm THz MW IR UV Rayons-X Rayons-γ Ondes Radio 1013 Hz 1011 Hz électronique ‘Gap’ photonique C. D’Amico, JPU 2009

La région du spectre électromagnétique dite THz 10cm 1mm 100nm 10µm 1nm THz MW IR UV Rayons-X Rayons-γ Ondes Radio 1013 Hz 1011 Hz électronique ‘Gap’ photonique Sources THz pulsées générées par des impulsions laser ultracourtes Génération de couples électron-trou Effets non linéaires du 2ème ordre Effets non linéaires du 3ème ordre Photo-ionisation et effets ponderomoteurs C. D’Amico, JPU 2009

Méthode de mesure du champ électrique transitoire THz La méthode Electro-Optique λ/4 WP Sonde optique Cristal EO (χ(2) ≠ 0 ) PD1 PD2 - Détection Synchrone ZnTe (→ 4 THz) GaP (→ 11 THz) … I + ε - ε I C. D’Amico, JPU 2009

PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs Impulsions THz produites par interaction laser-plasma Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

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

Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs Densité de porteurs de charge Champ THz transitoire THz 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. D’Amico, JPU 2009

PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs Impulsions THz produites par interaction laser-plasma Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation (sources de plasma) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov + - 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) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation (sources de plasma) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov + - 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) C. D’Amico, JPU 2009

Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs Impulsions THz produites par interaction laser-plasma Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires THz Cristal 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) C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires THz Cristal 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) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires THz Cristal 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) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR ) C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires THz Cristal 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) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR ) Cristal: LiNbO3 (n φ,THz ≈ 2ng,IR ) Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ,THz /ng,IR) ≈ 63° C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires THz Cristal 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) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR ) Cristal: LiNbO3 (n φ,THz ≈ 2ng,IR ) Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ,THz /ng,IR) ≈ 63° C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3 C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3 Taux de conversion ≈ 10-2 1 photon (800 nm) → 3.7 photons (1 THz) ! Taux de conversion ≈ 7∙10-4 Etude théorique: L. Palfalvi et al., Appl. Phys. Lett. 92, 171107 (2008) C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires Taux de conversion 10-5 Taux de conversion 10-3-10-2 C. D’Amico, JPU 2009

PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs Impulsions THz produites par interaction laser-plasma Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

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

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

Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Train d’impulsions Opt. Impulsion THz Avec les bonnes paramètres Δt, N Δt, N cristal Le principe … 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) Propagateur de Fresnel Couplage spatio-temporel en champ intermédiaire C. D’Amico, JPU 2009

Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Z = 4 cm R = 4 mm R1 = 2 mm R2 = 4 mm C. D’Amico, JPU 2009

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

PLAN Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs Impulsions THz produites par interaction laser-plasma Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz Applications Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

Applications C. D’Amico, JPU 2009 10cm 1mm 100nm 10µm 1nm THz MW IR UV Rayons-X Rayons-γ Ondes Radio C. D’Amico, JPU 2009

Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz Applications 10cm 1mm 100nm 10µm 1nm THz MW IR UV Rayons-X Rayons-γ Ondes Radio 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 C. D’Amico, JPU 2009

Applications 10cm 1mm 100nm 10µm 1nm THz MW IR UV Rayons-X Rayons-γ Ondes Radio 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 que dans le cas optique! Originalité par rapport à la Spectroscopie dans le domaine optique C. D’Amico, JPU 2009

CONCLUSIONS 4 techniques pour la génération d’impulsions THz par lasers ultracourts Les antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs Plasma: filamentation femtoseconde Plasma: Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) Le redressement optique: ZnTe, LiNbO3 (champ THz intense) Technique de mise en forme spectrale e spatiale dans le redressement optique Mise en forme spatiale du faisceau de pompe (à l’aide d’un masque de phase CL) Control du couplage Spatio-temporel en champ intermédiaire Application à l’optique THz non linéaire C. D’Amico, JPU 2009

Merci