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RÉSUMÉ
Cet article porte sur différentes méthodes de caractérisation permettant d'accéder au pro fil temporel d'impulsions ultra-brèves, dont la durée est typiquement comprise entre quelques femtosecondes et quelques picosecondes. Ces méthodes sont soit de nature non stationnaire, soit de nature non linéaire. Dans le premier cas, on utilise le plus souvent une impulsion ultra-brève de référence permettant d'accéder par échantillonnage ou interférométrie à la forme temporelle de l'impulsion mesurée. Dans le second cas, un processus d'optique non-linéaire du deuxième ou du troisième ordre permet d'effectuer une mesure auto-référencée, parfois au moyen d'un algorithme itératif.
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Manuel JOFFRE : Directeur de recherche au CNRS - Professeur à l’École polytechnique Laboratoire d’optique et biosciences École polytechnique, CNRS, INSERM, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France
INTRODUCTION
L’essor spectaculaire des lasers à impulsions ultra-brèves soulève un problème de métrologie très spécifique, dans la mesure où les impulsions lumineuses ainsi produites constituent les événements les plus brefs que l’on sache réaliser. Il n’est donc pas possible d’avoir recours à un phénomène encore plus bref pour caractériser les impulsions toujours plus courtes produites par de tels lasers. Ainsi, les lasers ultra-brefs n’ont pu se développer que de concert avec de nouvelles méthodes de caractérisation, dont cet article fait l’objet.
L’extraordinaire diversité des méthodes conçues lors des dernières décennies ne saurait être traitée ici de manière exhaustive, aussi un certain nombre de choix – parfois arbitraires – ont-ils été nécessaires. Tout d’abord, par impulsion brève ou ultra-brève, on entend une impulsion dont la durée est comprise entre quelques femtosecondes et quelques picosecondes. Pour des impulsions plus longues, on pourra en effet préférer des méthodes de mesure de nature électronique. À l’inverse, le domaine sub-femtoseconde (ou attoseconde) fait l’objet de méthodes de mesure très spécifiques non développées ici, même si ces méthodes dérivent souvent de concepts qui seront évoqués dans cet article. Par ailleurs, certains aspects comme le contraste de l’impulsion ou la phase de la porteuse par rapport à l’enveloppe ne seront pas discutés, malgré le rôle essentiel qu’ils jouent en particulier dans le domaine de la physique des hautes intensités.
Après un rappel des principes fondamentaux, qui permettront de distinguer deux principales classes de méthodes de mesure, l’article abordera successivement les méthodes dites non stationnaires (le plus souvent linéaires), puis les méthodes dites non linéaires, qui exploitent une non-linéarité optique du second ou du troisième ordre.
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4. Conclusion
Nous avons passé en revue dans cet article un certain nombre de méthodes permettant de caractériser une impulsion ultra-brève, en faisant d’emblée l’hypothèse que l’impulsion était beaucoup plus courte que le temps de réponse du système de photodétection. En nous limitant ainsi au cas de détecteurs intégrateurs, nous avons pu établir que le dispositif de caractérisation devait comporter soit un élément non stationnaire soit un élément non linéaire. Ce résultat nous a permis de classer les méthodes de mesures en deux catégories, selon que l’on dispose ou non d’une impulsion de référence appropriée. Dans le premier cas, l’impulsion de référence fournit le phénomène non stationnaire requis et il est possible de disposer d’un signal qui soit une fonction linéaire du champ électrique, dont la reconstruction est alors immédiate. Dans le second cas, un processus d’optique non linéaire du second ou du troisième ordre permet d’effectuer une caractérisation auto-référencée de l’impulsion, en ayant dans certains cas recours à un algorithme itératif. Le tableau 1 résume les principales méthodes de mesure abordées plus haut selon qu’elles sont non stationnaires ou non linéaires, et auto-référencées ou non.
Le catalogue très fourni de produits commerciaux, mettant en œuvre la plupart des méthodes de mesure discutées dans cet article, atteste de la maturité atteinte à l’issue des dernières décennies dans le domaine de la caractérisation d’impulsions ultra-brèves. Ce domaine de recherche n’en reste pas moins très actif. Outre le domaine des impulsions attosecondes , on pourra notamment citer le développement de méthodes...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - JOFFRE (M.) - Optique non-linéaire en régimes continu et femtoseconde. - Master Concepts fondamentaux de la Physique, École Normale Supérieure, École Polytechnique, Universités Paris VI et Paris XI (2008) https://hal.archives-ouvertes.fr/cel-00092964v2
-
(2) - BRAOEWELL (R.N.) - The Fourier transform and its applications. - McGraw-Hill, 3rd ed. (1999).
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(3) - BUTCHER (P.N.), COTTER (D.) - The elements of nonlinear optics. - Cambridge University Press, Cambridge (UK) (1990).
-
(4) - WONG (V.), WALMSLEY (I.) - Analysis of ultrashort pulse-shape measurement using linear interferometers. - Opt. Lett., 19, p. 287 (1994).
-
(5) - LEPETIT (L.), CHERIAUX (G.), JOFFRE (M.) - Linear techniques of phase measurement by femtosecond spectral interferometry for applications in spectroscopy. - J. Opt. Soc. Am. B, 12, p. 2467 (1995).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
https://github.com/dewilcox/PulseshapingPulsemeasurementSimulations
https://www.coursera.org/learn/physique-optique/
http://www.enseignement.polytechnique.fr/profs/physique/Manuel.Joffre/phase
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Ecoles thématiques et journées thématiques organisées par le réseau femto http://reseau-femto.cnrs.fr/spip.php?rubrique32
Conférence plénière annuelle du GDR Ultrafast Phenomena http://gdrupilm.univ-lyon1.fr/ActionsScientifiques.html
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