Prix Nobel de Physique 2018 : Des impulsions laser de très faible durée mais de puissance très élevée

L’obtention d’impulsions lumineuses ultra-courtes et de puissance crête extrêmement grande a permis de grandes avancées dans des domaines aussi différents que la génération d’harmoniques de lumière laser, l’accélération d’électrons ou encore en chirurgie réfractive de l’œil pour traiter la myopie et l’astigmatisme. Et tout cela est parti de l’invention, en 1985, par la canadienne Donna Strickland et le français Gérard Mourou, travaillant à l’Université de Rochester, aux Etats-Unis, de la technique d’amplification par impulsion “ chirped “, en anglais  chirped pulse amplification (CPA), appliquée à des impulsions lumineuses.

On dit qu’une impulsion lumineuse est “chirpée“(de l’anglais chirped) quand elle subit une dispersion de sa vitesse de groupe, ce qui entraîne une variation de fréquence avec le temps. Le terme vient de l’anglais chirp , “gazouillis “, par allusion au chant de certains oiseaux qui font varier la fréquence de leur chant.
La figure ci-dessous représente le champ électrique en fonction du temps d’une impulsion optique “chirpée“. On remarque que la fréquence de l’oscillation augmente avec le temps.

Crédit Encyclopedia of Laser Physics and Technology (https://www.rp-photonics.com/chirp.html)

Crédit R. Paschotta. Encyclopedia of Laser Physics and Technology (https://www.rp-photonics.com/chirp.html)

C’est la dépendance temporelle de sa fréquence instantanée qui constitue le chirp de l’impulsion. La variation de fréquence entraîne, bien sûr, une variation de longueur d’onde. Celle-ci peut être une diminution, comme ici, ou une augmentation, selon le montage utilisé.

Dans l’expérience originale de Strickland et Mourou, un laser Nd :YAG produisait des impulsions de 150 ps (1 picoseconde  = 10-12s). Celles-ci  étaient couplées à une fibre optique dans laquelle l’impulsion était chirpée, ce qui l’étirait et lui donnait une durée de 300 ps. On amplifiait alors cette impulsion plus longue et de puissance de crête plus faible dans un amplificateur de lumière. Ce dernier n’aurait pu amplifier directement l’impulsion courte de départ. Dans l’étape suivante l’impulsion longue amplifiée était comprimée par une paire de réseaux de diffraction et ramenée à une durée de  2ps. L’énergie de l’impulsion finale était de 1 mJ. L’ensemble de ces opérations constitue la technique CPA.

Celle-ci fut très vite améliorée par le remplacement de la fibre optique pour chirper et étirer l’impulsion lumineuse par une paire de réseaux de diffraction parallèles. La figure suivante schématise le montage utilisé.

Configuration CPA standard Le chirp est illustré par des couleurs. A l’origine le milieu amplifiant (l’amplificateur) était un verre au néodymium. Aujourd’hui le milieu le plus utilisé est du saphir dopé au titane (Ti :saphir). © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences”.

Configuration CPA standard
Le chirp est illustré par des couleurs. A l’origine le milieu amplifiant (l’amplificateur) était un verre au néodymium. Aujourd’hui le milieu
le plus utilisé est du saphir dopé au titane (Ti :saphir).
“© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences”.

L’amplification d’impulsions obtenue avec ce montage atteint 9 ordres de grandeur en énergie par impulsion, faisant passer celle-ci  du nanojoule  au jouie avec une durée finale d’impulsion d’environ 1 ps.

Les avancées de la technologie CPA pour la recherche

En deux décades à peine, l’utilisation de la technologie CPA permit d’atteindre des durées de 100 fs (1 fs= 1 femtoseconde = 10-15s) avec une puissance par impulsion de l’ordre du pétawatt (1 pw = 1015watts ).

Il devint possible de construire des systèmes de lasers  à impulsions ultra-courtes de puissance élevée. De surcroît, leur encombrement était faible et leur utilisation simple. Ils étaient bien adaptés tant à une utilisation industrielle qu’à des applications médicales et, bien sûr, à la recherche en Physique.

Pour cette dernière, on a commencé à explorer en physique atomique le domaine des champs forts, c’est-à-dire celui où l’énergie du champ électrique de l’onde lumineuse devient comparable à l’énergie de liaison des électrons avec les molécules ou les atomes.

A l’orée du 21ème siècle, des physiciens parvinrent à obtenir des impulsions lumineuses de l’ordre de l’attoseconde (1 as = 10-18s), toujours à l’aide de lasers CPA. Pour la première fois on peut étudier la dynamique des électrons à l’intérieur des atomes, des molécules et de la matière condensée. On appelle science de l’attoseconde ce nouveau champ de recherche.

Les accélérateurs de particules sont actuellement basés sur une technologie radio fréquence (RF). Des champs électriques oscillants allant de 100 MHz à quelques GHz accélèrent les particules. Mais si l’on veut construire un accélérateur à la limite des hautes  énergies, l’appareil devient énorme et terriblement onéreux.

Des chercheurs ont suggéré en 1979 qu’un  laser de puissance très élevée pouvait générer une onde de plasma pouvant accélérer des électrons jsqu’à 1 GeV sur une distance de 1 cm. Au Lawrence Berkeley National Laboratory, en Californie, un laser petawatt accélère des électrons jusqu’à une énergie de 4,2 GeV sur une distance de 9 cm. Ceci représente deux ordres de grandeur de plus que ce qu’on peut obtenir avec la technique RF.

Les avancées dans l’industrie et la médecine

Des impulsions laser ultra-courtes de haute intensité sont très utiles pour des travaux de haute précision car elles ne génèrent de la chaleur qu’au point voulu en respectant son voisinage. L’intensité peut être ajustée avec un niveau faible pour un traitement thermique et fort pour enlever de la matière.

Des lasers femtoseconde sont utilisés depuis peu pour la chirurgie réfractive de l’œil qui traite la myopie et l’astigmatisme.

 

L’invention de la technologie CPA par Donna Strickland et Gérard Mourou leur a valu de recevoir la moitié du Prix Nobel de Physique, l’autre moitié étant décernée à Arthur Ashkin pour son extraordinaire invention des  “Pinces optiques“ (cf le blog du 12 Nov 2013 Des pinces optiques sur des puces de silicium) qui sont devenues  un des outils les plus utilisés en biophysique et en  biologie ainsi qu’en physique et en chimie. Il permet de piéger et de manipuler sans les détruire des objets microscopiques comme les cellules et même nanoscopiques comme les molécules  et les atomes.

 

 

 

Pour en savoir plus :

Compression of amplified chirped optical pulses
Donna Strickland and Gérard Mourou    OPTICS COMMUNICATIONS ,55, 6,  15 october 1985

Generation of Ultrahigh Peak Power Pulses byChirped Pulse Amplification
P.MAINE, D. STRICKLAND, P. BADO, M. PESSOT, AND G. MOUROU
IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 24. NO. 2, FEBRUARY 1088

Optical Pulse Compression with Diffraction Gratings
E.B. Treacy     IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-5, NO. 9, SEPTEMBER 1969

Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2018. THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCE