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RÉSUMÉ
La technologie évoluant, les impulsions délivrées par les sources laser sont passées progressivement de la milliseconde par un simple procédé mécanique, à la nanoseconde par déclenchement électro-optique d’un cristal non linéaire, puis à la picoseconde par verrouillage des modes d’une cavité laser jusqu’à l’échelle de la femtoseconde par l’effet non linéaire. Après quelques rappels, cet article décrit les éléments de base des techniques physiques de génération et de propagation des impulsions laser, avant de présenter les applications des lasers à impulsions ultracourtes.
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Georges BOULON : Professeur des universités - Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents - Université Claude Bernard Lyon 1, 5620 CNRS
INTRODUCTION
La dynamique électronique interne aux atomes actifs en optique se joue à des échelles de temps comprises entre quelques nanosecondes et des fractions de seconde. Les connaissances dans ce domaine ont donc progressé parallèlement aux avancées des sources à impulsions rendant possible le pompage des niveaux d’énergie atomiques dans les gaz, liquides et solides c’est‐à‐dire principalement avec les outils lasers mis au service des chercheurs, particulièrement efficaces, à la fois, par leur intensité et par leur double sélectivité fréquentielle et temporelle. En réalité, on ne pouvait pas s’arrêter là et les efforts dans la recherche de sources encore plus rapides, en deçà de la nanoseconde, ont abouti progressivement à franchir l’échelle de temps de la picoseconde (1 ps = 10 –12 s) puis de la femtoseconde (1 fs = 10 –15 s), c’est‐à‐dire l’échelle de temps pour les échanges d’atomes ou de groupes d’atomes des systèmes à plusieurs corps comme les molécules isolées, les protéines ou les solides. Les premiers travaux sur les mouvements des molécules ont été réalisés dès 1945 par Porter et Norrish en mettant au point la technique de photolyse par flashs ce qui leur valut le prix Nobel de chimie en 1967. Plus récemment, l’utilisation de lasers à impulsions à l’échelle de la femtoseconde ont valu le prix Nobel de chimie à Zewail en 1999.
À titre d’exemple nous donnons sur la figure 1 des ordres de grandeur des échelles de temps intervenant dans les phénomènes physico-chimiques et biochimiques. C’est la femtochimie qui permet d’observer le comportement dynamique des atomes et des molécules ou de visualiser l’évolution des réactions chimiques.
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- Version courante de juil. 2017 par Georges BOULON
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3. Génération d’impulsions
Le mode de fonctionnement par impulsions des lasers a été depuis longtemps d’un très grand intérêt pour les « laséristes ». La première source laser était un rubis qui fonctionnait en impulsions. Bien qu’il existe un grand nombre de lasers qui fonctionnent aussi bien en continu qu’en impulsions, certains ne délivrent exclusivement que des impulsions comme les lasers à excimères. Cela dépend essentiellement de la nature du milieu amplificateur et de la durée de vie du niveau excité émetteur de la transition laser. Spécialement avec les lasers à impulsions, les puissances des pics peuvent être très élevées ce qui les rend particulièrement attractifs pour de nombreuses applications. Ces dernières années, les progrès relatifs à la génération d’impulsions de lumière ultracourtes ont été spectaculaires. Le couplage avec les avancées des lasers à solide pompés par diodes a même ouvert de nouveaux champs scientifiques et technologiques.
3.1 Les méthodes de déclenchement (Q-switching )
La sortie d’un laser à solide fonctionnant en mode « relaxé » est généralement un train d’impulsions irrégulières aussi bien du point de vue de la puissance des pics, de leur largeur temporelle que de leur fréquence de répétition. On peut déplacer ces irrégularités et en même temps accroître la puissance du pic par une technique jouant sur la variation brusque du facteur de qualité Q de la cavité. Un seul pic est alors émis dans un temps compris entre la µs et quelques ns et avec des puissances instantanées variant de 106 W (1 MW) à 109 W (1 GW). Cette technique convertit une impulsion de pompe relativement longue, de puissance de pic assez basse, en une impulsion très courte, de puissance élevée dépassant de plusieurs ordres de grandeur celle de la pompe. Avec ce mode de fonctionnement, l’énergie est stockée dans le matériau laser durant le pompage, et subitement relaxée sous la forme d’une impulsion courte. Le facteur de qualité Q est défini comme le taux de l’énergie stockée dans la cavité à l’énergie perdue par cycle. Durant le processus de pompage, le faisceau est interrompu ce qui diminue considérablement Q en annulant l’émission laser. Les lasers YAG : Nd sont de loin les lasers déclenchés...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GAUDUEL (Y.) - La femtochimie, - numéro spécial de L’Actualité Chimique, févr. 2001. — ABRAHAM (E.), OBERLÉ (J.), JONUSAUSKAS (G.), RULLIÈRE (C.) : Analyse de réactions chimiques par spectroscopie non linéaire résolue en temps. — GAUDUEL (Y.), HALLOU (A.). Réactivité ultrarapide en chimie radicalaire. — GUSTAVSSON (T.), MONS (M.), VISTICOT (J.-P.). Femtochimie : de la molécule isolée à la phase liquide. — BRATOS (S.), GALE (G.M.), GALLOT (G.), LEICKNAM (J.-C), POMMERET (S.). Femtochimie de l’eau liquide.— BUNTINX (G.), LAPOUGE (C.), POIZAT (O.). Spectrochimie Raman et suivi structural d’espèces chimiques en cours de réaction.— PLAZA (P.), GHANGENET-BARRET (P.), LAAGE (D.), MARTIN (M.). Actes photochimiques primaires dans les matériaux organiques en solution. — MIALOCQ (J.-C.), POMMERET (S.), FOURNEIR (T.), DELANDRE (A.), ROZOT (R.). Liaison hydrogène et transferts de protons intramoléculaires à l’échelle de temps femtoseconde. Application à la photoprotection contre les UVA et les UVB solaires.
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(2) - Les lasers et leurs applications scientifiques et médicales, - Édition C. Fabre et J.P. Pocholle, Les Éditions de Physique (Paris) (1996) : — BRUN (A.), GEORGES (P.), Sources laser femtoseconde, p. 287-308. — HULIN (D.), Applications des impulsions lasers ultra-brèves, p. 465-506.
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(3) - Ultrafast dynamics of quantum systems. Physical processes and spectroscopic Techniques. - Edited...
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