Laser ultrarapide unique, deuxième partie

Uniquelaser ultrarapidedeuxième partie

Dispersion et étalement d'impulsion : dispersion du délai de groupe
L'un des défis techniques les plus difficiles rencontrés lors de l'utilisation de lasers ultrarapides est le maintien de la durée des impulsions ultracourtes initialement émises par le laser.laserLes impulsions ultrarapides sont très sensibles à la distorsion temporelle, ce qui les allonge. Cet effet s'accentue à mesure que la durée de l'impulsion initiale diminue. Bien que les lasers ultrarapides puissent émettre des impulsions d'une durée de 50 secondes, il est possible d'amplifier ces impulsions temporellement en utilisant des miroirs et des lentilles pour les transmettre à la cible, ou même en les propageant simplement dans l'air.

Cette distorsion temporelle est quantifiée par une mesure appelée dispersion de groupe retardée (GDD), également connue sous le nom de dispersion du second ordre. En réalité, des termes de dispersion d'ordre supérieur peuvent également affecter la distribution temporelle des impulsions laser ultracourtes, mais en pratique, il suffit généralement d'examiner l'effet de la GDD. La GDD est une valeur dépendant de la fréquence et proportionnelle à l'épaisseur du matériau. Les éléments optiques de transmission, tels que les lentilles, les fenêtres et les objectifs, présentent généralement des valeurs de GDD positives, ce qui indique que les impulsions, une fois comprimées, peuvent conférer à ces éléments une durée d'impulsion plus longue que celle des impulsions émises par le laser.systèmes laserLes composantes de basses fréquences (c'est-à-dire de grandes longueurs d'onde) se propagent plus rapidement que celles de hautes fréquences (c'est-à-dire de courtes longueurs d'onde). À mesure que l'impulsion traverse une quantité croissante de matière, sa longueur d'onde s'allonge inexorablement. Pour des impulsions de courte durée, et donc de large bande passante, cet effet est encore plus marqué et peut engendrer une distorsion temporelle importante.

Applications laser ultrarapides
spectroscopie
Depuis l'avènement des sources laser ultrarapides, la spectroscopie est devenue l'un de leurs principaux domaines d'application. En réduisant la durée des impulsions à des femtosecondes, voire à des attosecondes, il est désormais possible d'observer des processus dynamiques en physique, chimie et biologie qui étaient auparavant inaccessibles. Parmi ces processus clés figure le mouvement atomique, dont l'observation a permis d'améliorer la compréhension scientifique de phénomènes fondamentaux tels que les vibrations moléculaires, la dissociation moléculaire et le transfert d'énergie dans les protéines photosynthétiques.

bioimagerie
Les lasers ultrarapides de forte puissance permettent d'étudier les processus non linéaires et d'améliorer la résolution en imagerie biologique, notamment en microscopie multiphotonique. Dans un système multiphotonique, la génération d'un signal non linéaire à partir d'un milieu biologique ou d'une cible fluorescente nécessite le chevauchement spatial et temporel de deux photons. Ce mécanisme non linéaire améliore la résolution d'imagerie en réduisant significativement le bruit de fond de fluorescence qui perturbe l'étude des processus monophotoniques. Le bruit de fond simplifié est illustré. La zone d'excitation réduite du microscope multiphotonique prévient également la phototoxicité et minimise les dommages causés à l'échantillon.

Figure 1 : Exemple de schéma du trajet d'un faisceau dans une expérience de microscopie multiphotonique

traitement des matériaux par laser
Les sources laser ultrarapides ont également révolutionné le micro-usinage laser et le traitement des matériaux grâce à l'interaction unique des impulsions ultracourtes avec les matériaux. Comme mentionné précédemment, lors de la discussion sur le traitement laser des matériaux (LDT), la durée de l'impulsion ultrarapide est inférieure au temps de diffusion de la chaleur dans le réseau cristallin du matériau. Les lasers ultrarapides produisent une zone affectée thermiquement beaucoup plus petite que les lasers conventionnels.lasers pulsés nanosecondesIl en résulte une réduction des pertes lors de l'incision et une usinage plus précis. Ce principe s'applique également aux applications médicales, où la précision accrue de la découpe laser ultrarapide contribue à limiter les dommages aux tissus environnants et à améliorer le confort du patient pendant la chirurgie laser.

Impulsions attosecondes : l’avenir des lasers ultrarapides
À mesure que la recherche progresse dans le domaine des lasers ultrarapides, de nouvelles sources lumineuses améliorées, caractérisées par des impulsions de plus courte durée, sont développées. Afin de mieux comprendre les processus physiques plus rapides, de nombreux chercheurs se concentrent sur la génération d'impulsions attosecondes – d'une durée d'environ 10⁻¹⁸ s dans la gamme des ultraviolets extrêmes (XUV). Ces impulsions permettent de suivre le mouvement des électrons et d'améliorer notre compréhension de la structure électronique et de la mécanique quantique. Bien que l'intégration des lasers attosecondes XUV dans les procédés industriels n'ait pas encore connu de progrès significatifs, les recherches et les avancées en cours dans ce domaine permettront très probablement de faire passer cette technologie du laboratoire à la production industrielle, comme cela a déjà été le cas pour les lasers femtosecondes et picosecondes.sources laser.