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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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1. Principes fondamentaux
Dans le domaine des radiofréquences, une impulsion électromagnétique peut être aisément caractérisée simplement à l’aide d’une antenne et d’un oscilloscope. Il en va autrement dans le domaine optique, où les photodétecteurs sont réputés insensibles à la phase de l’onde lumineuse. Ce résultat, qui sera établi ci-dessous de manière générale, complique singulièrement la caractérisation d’une impulsion lumineuse, et nous amènera à distinguer deux classes distinctes de méthodes de caractérisation.
1.1 Impulsions ultra-brèves
À l’inverse d’un laser continu, qui produit un rayonnement stationnaire, un laser à impulsions ultra-brèves [AF 3 282] produit un faisceau lumineux associé à une onde électromagnétique localisée dans le temps. Les aspects liés au profil spatial du faisceau lumineux n’étant pas abordés dans cet article, on caractérisera notre impulsion par la seule évolution temporelle du champ électrique, supposé scalaire et noté E (t). On se placera en outre dans le cadre de l’optique classique, ce qui signifie que le champ électromagnétique associé à notre faisceau lumineux ne sera pas quantifié. Cette hypothèse est valide pour les impulsions lasers considérées ici, qui peuvent être assimilées à des états quasi-classiques du champ électromagnétique.
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L’analyse des méthodes de caractérisation des impulsions ultra-brèves exige de jongler en permanence entre l’espace direct et l’espace de Fourier. On introduit donc la distribution du champ électrique dans l’espace des fréquences ω, donnée par la transformée de Fourier inverse :
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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
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(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).
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(4) - WONG (V.), WALMSLEY (I.) - Analysis of ultrashort pulse-shape measurement using linear interferometers. - Opt. Lett., 19, p. 287 (1994).
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(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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