Laser ultra-rapide unique, deuxième partie

Uniquelaser ultrarapidedeuxième partie

Dispersion et étalement des impulsions : dispersion du temps de propagation de groupe
L’un des défis techniques les plus difficiles rencontrés lors de l’utilisation de lasers ultra-rapides est de maintenir la durée des impulsions ultra-courtes 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, celles-ci peuvent être amplifiées dans le temps grâce à l'utilisation de miroirs et de lentilles pour les transmettre à la cible, ou même simplement par voie aérienne.

Cette distorsion temporelle est quantifiée à l'aide d'une mesure appelée dispersion retardée de groupe (GDD), également appelée dispersion du second ordre. En réalité, des termes de dispersion d'ordre supérieur peuvent également affecter la distribution temporelle des impulsions laser ultra-rapides, mais en pratique, il suffit généralement d'examiner l'effet de la GDD. La GDD est une valeur dépendante de la fréquence et linéairement proportionnelle à l'épaisseur d'un matériau donné. Les composants 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 l'optique de transmission une durée d'impulsion supérieure à celle des impulsions émises par les lasers à ultra-haute fréquence.systèmes laserLes composantes de fréquences plus basses (longueurs d'onde plus longues) se propagent plus rapidement que celles de fréquences plus élevées (longueurs d'onde plus courtes). À mesure que l'impulsion traverse une quantité croissante de matière, sa longueur d'onde s'étend de plus en plus loin dans le temps. Pour des durées d'impulsion plus courtes, et donc des largeurs de bande plus larges, cet effet est encore accentué et peut entraîner une distorsion temporelle significative.

Applications laser ultrarapides
spectroscopie
Depuis l'avènement des sources laser ultrarapides, la spectroscopie est l'un de leurs principaux domaines d'application. En réduisant la durée d'impulsion à quelques femtosecondes, voire attosecondes, il est désormais possible d'observer des processus dynamiques en physique, chimie et biologie, jusqu'alors impossibles à observer. L'un des processus clés est le mouvement atomique, dont l'observation a permis d'améliorer la compréhension scientifique de processus fondamentaux tels que la vibration moléculaire, la dissociation moléculaire et le transfert d'énergie dans les protéines photosynthétiques.

bioimagerie
Les lasers ultrarapides à puissance de crête prennent en charge les processus non linéaires et améliorent la résolution de l'imagerie biologique, comme la microscopie multiphotonique. Dans un système multiphotonique, pour générer un signal non linéaire à partir d'un milieu biologique ou d'une cible fluorescente, deux photons doivent se chevaucher dans l'espace et le temps. Ce mécanisme non linéaire améliore la résolution de l'imagerie en réduisant considérablement les signaux de fluorescence de fond qui perturbent les études des processus à photons uniques. Le signal de fond simplifié est illustré. La zone d'excitation plus petite du microscope multiphotonique prévient également la phototoxicité et minimise les dommages causés à l'échantillon.

Figure 1 : Exemple de diagramme de trajet de faisceau dans une expérience de microscope multiphotonique

Traitement des matériaux au laser
Les sources laser ultrarapides ont également révolutionné le micro-usinage laser et le traitement des matériaux grâce à la manière unique dont les impulsions ultracourtes interagissent avec les matériaux. Comme mentionné précédemment, en ce qui concerne le LDT, la durée de l'impulsion ultrarapide est plus rapide que le temps de diffusion de la chaleur dans le réseau du matériau. Les lasers ultrarapides produisent une zone affectée thermiquement beaucoup plus petite que les lasers à impulsions ultracourtes.lasers pulsés nanosecondes, ce qui entraîne une réduction des pertes par incision et un usinage plus précis. Ce principe s'applique également aux applications médicales, où la précision accrue de la découpe laser ultra-rapide contribue à réduire les dommages aux tissus environnants et améliore l'expérience du patient pendant la chirurgie laser.

Impulsions attosecondes : l'avenir des lasers ultrarapides
Alors que la recherche continue de faire progresser les lasers ultrarapides, de nouvelles sources lumineuses améliorées, avec des durées d'impulsion plus courtes, sont développées. Pour mieux comprendre les processus physiques plus rapides, de nombreux chercheurs se concentrent sur la génération d'impulsions attosecondes – d'environ 10-18 s dans la gamme de longueurs d'onde de l'extrême ultraviolet (XUV). Les impulsions attosecondes permettent de suivre le mouvement des électrons et d'améliorer notre compréhension de la structure électronique et de la mécanique quantique. Si l'intégration des lasers attosecondes XUV dans les procédés industriels n'a pas encore progressé de manière significative, les recherches et avancées en cours dans ce domaine permettront très certainement de faire passer cette technologie du laboratoire à la production industrielle, comme ce fut le cas pour les lasers femtoseconde et picoseconde.sources laser.