Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde:

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1 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, France. 2Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS UMR 7639, Palaiseau, France 3Centre 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 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

3 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

4 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

5 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

6 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

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

8 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

9 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

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

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

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

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

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

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

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

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

18 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, ( 2007) C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, ( 2008) C. D’Amico, JPU 2009

19 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, ( 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) C. D’Amico, JPU 2009

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

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

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

23 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

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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

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

30 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, (2008) C. D’Amico, JPU 2009

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

32 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

33 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

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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

39 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

40 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, (2008) Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz C. D’Amico, JPU 2009

41 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, (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

42 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

43 Merci