Laser pulsé à très haute fréquence de répétition

Laser pulsé à très haute fréquence de répétition

Dans le monde microscopique de l'interaction lumière-matière, les impulsions à ultra-haute fréquence de répétition (UHRP) servent de régulateurs temporels précis : oscillant à plus d'un milliard de fois par seconde (1 GHz), elles permettent de capturer les signatures moléculaires des cellules cancéreuses en imagerie spectrale, de transporter d'énormes quantités de données en communication par fibre optique et de calibrer les coordonnées spectrales des étoiles dans les télescopes. En particulier, grâce au bond en avant réalisé dans le domaine de la détection lidar, les lasers pulsés térahertz à ultra-haute fréquence de répétition (100-300 GHz) deviennent des outils puissants pour pénétrer la couche d'interférence, redéfinissant les limites de la perception tridimensionnelle grâce à leur capacité de manipulation spatio-temporelle à l'échelle du photon. Actuellement, l'utilisation de microstructures artificielles, telles que des cavités micro-annulaires nécessitant une précision de fabrication nanométrique pour générer un mélange à quatre ondes (FWM), est l'une des principales méthodes pour obtenir des impulsions optiques à ultra-haute fréquence de répétition. Les scientifiques s'attachent à résoudre les problèmes d'ingénierie liés à la fabrication de structures ultrafines, au réglage de la fréquence lors de l'amorçage des impulsions et à l'amélioration du rendement de conversion après leur génération. Une autre approche consiste à utiliser des fibres hautement non linéaires et à exploiter l'instabilité de modulation (ou effet FWM) au sein de la cavité laser pour exciter des plasmons de haute résolution (UHRP). À ce jour, un dispositif de mise en forme temporelle plus performant reste nécessaire.

Le procédé de génération de résonance paramagnétique ultrarapide (UHRP) par injection d'impulsions ultrarapides pour exciter l'effet FWM dissipatif est décrit comme « allumage ultrarapide ». Contrairement au schéma de cavité microring artificielle mentionné précédemment, qui nécessite un pompage continu, un réglage précis du désaccord pour contrôler la génération d'impulsions et l'utilisation de milieux fortement non linéaires pour abaisser le seuil FWM, cet « allumage » repose sur les caractéristiques de puissance de crête des impulsions ultrarapides pour exciter directement le FWM et, après « extinction de l'allumage », permet d'obtenir une UHRP auto-entretenue.

La figure 1 illustre le mécanisme fondamental d'auto-organisation des impulsions, basé sur l'excitation de cavités annulaires dissipatives par une impulsion d'amorçage ultrarapide. Cette impulsion d'amorçage ultracourte (période T₀, fréquence de répétition F), injectée de l'extérieur, sert de source d'excitation pour générer un champ d'impulsions de forte puissance au sein de la cavité de dissipation. Le module de gain intracellulaire, en synergie avec le conformateur spectral, convertit l'énergie de l'impulsion d'amorçage en une réponse spectrale en peigne grâce à une régulation conjointe dans le domaine temps-fréquence. Ce procédé s'affranchit des limitations du pompage continu traditionnel : l'impulsion d'amorçage s'interrompt lorsqu'elle atteint le seuil de dissipation FWM, et la cavité de dissipation maintient l'état d'auto-organisation des impulsions grâce à l'équilibre dynamique entre gain et perte, la fréquence de répétition des impulsions étant Fs (correspondant à la fréquence intrinsèque FF et à la période T de la cavité).

Cette étude a également procédé à une vérification théorique. Elle s'appuie sur les paramètres adoptés dans le dispositif expérimental et sur une période de 1 ps.laser à impulsions ultrarapidesDans le champ initial, une simulation numérique a été réalisée sur l'évolution temporelle et fréquentielle de l'impulsion au sein de la cavité laser. Il a été constaté que l'impulsion traversait trois étapes : division de l'impulsion, oscillation périodique de l'impulsion et distribution uniforme de l'impulsion dans toute la cavité laser. Ce résultat numérique confirme pleinement les caractéristiques d'auto-organisation de la cavité.laser pulsé.

En déclenchant l'effet de mélange à quatre ondes au sein de la cavité annulaire dissipative en fibre optique par une impulsion d'amorçage ultrarapide, la génération et le maintien auto-organisés d'impulsions à très haute fréquence de répétition (inférieure au THZ) (puissance de sortie stable de 0,5 W après l'arrêt de l'impulsion d'amorçage) ont été obtenus. Cette technologie offre un nouveau type de source lumineuse pour les lidars : sa fréquence de répétition inférieure au THZ permet d'améliorer la résolution du nuage de points jusqu'au millimètre. L'auto-entretien des impulsions réduit considérablement la consommation d'énergie du système. La structure entièrement fibrée garantit un fonctionnement très stable dans la bande de sécurité oculaire de 1,5 µm. À l'avenir, cette technologie devrait favoriser l'évolution des lidars embarqués vers la miniaturisation (à base de microfiltres MZI) et la détection longue portée (puissance supérieure à 1 W), et s'adapter aux exigences de perception des environnements complexes grâce à un allumage coordonné multi-longueurs d'onde et une régulation intelligente.