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Processus Femtosecondes et Lasers Intenses

Depuis 1999, l’équipe PFL a développé ses activités de recherche dans le domaine de la génération et les applications du contrôle de la dynamique moléculaire. Avec ses travaux novateurs et inédits dans le domaine de l’alignement moléculaire par impulsions ultracourtes et ses compétences dans le contrôle par la technique de mise en forme d’impulsions, l’équipe a contribué de façon conséquente au développement d’une thématique de recherche devenue aujourd’hui l’objectif scientifique de plusieurs groupes à travers le monde.

La spécificité du groupe réside dans l’utilisation de techniques dites « tout-optique » associées à des stratégies de contrôle faisant appel à des boucles de rétroactions utilisant des algorithmes de type génétique.

Olivier FAUCHER

Responsable

olivier.faucher[at]u-bourgogne.fr
Tél : 03 80 39 59 84

Parmi les domaines de compétences de l’équipe concernant l’interaction matière-champs laser intenses, on peut citer :

  • la démonstration de la mesure tout-optique de l’alignement moléculaire
  • la généralisation de l’alignement unidirectionnel de molécules linéaires à l’alignement bidimensionnel
  • le développement de techniques nouvelles pour le contrôle et l’optimisation de l’alignement moléculaire grâce à l’utilisation de mise en forme d’impulsions
  •  l’alignement tridimensionnel de molécules toupies asymétriques utilisant des impulsions polarisées elliptiquement
  • l’observation de l’effet Kerr d’ordre élevé dans les gaz et ses conséquences sur la propagation d’impulsions ultracourtes
  • les stratégies de contrôle de l’alignement planaire

Membres de l’équipe

  • Haisu Zhang , Chercheur post-doctorant
  • Emilien Prost , Doctorant
  • Jérémy Bert, Doctorant
  • Ester Szmygel, Doctorante
  • Junyang Ma, Doctorant
  • Berger Hubert, Prof.
  • Robert Saint-Loup, Ingénieur de recherche
  • Karras Gabriel, Chercheur post-doctorant
  • Andral Ugo (Thèse soutenue en Déc. 2016)
  • Julien Doussot (Thèse soutenue en déc. 2017)
  • Thomas Vieillard (Thèse soutenue en juin 2011)
  • Ronald Tehini (Thèse soutenue en déc. 2010)
  • Vincent Loriot (Thèse soutenue en 2008)
  • Arnaud Rouzée (Thèse soutenue en oct. 2007)
  • Vincent Renard (Thèse soutenue en juin 2005)
  • Matthias Renard (Thèse soutenue en sept. 2004)

Thématiques de recherche

Alignement moléculaire induit par laser

L’alignement de molécules à l’aide d’impulsions laser femtosecondes occupe une place centrale dans l’activité de notre équipe. C’est dans une étude pionnière publiée en 2003 [Phys. Rev. Lett. 90, 153601, 2003] que nous avons montré qu’un gaz de molécules alignées pouvait être produit et mesuré de façon très précise par des méthodes « tout-optiques ».

Notre contribution au domaine depuis 2006 a d’abord été de développer et d’améliorer des nouvelles méthodes optiques qui permettent de mesurer de façon quantitative des alignements moléculaires de milieux gazeux denses. Nos techniques de mesure sont non invasives. Elles reposent sur la modification de l’indice de réfraction du milieu induite par l’orientation des dipôles moléculaires suite à l’alignement. Leurs forces résident dans la précision, la rapidité et l’adaptabilité à une large gamme de conditions expérimentales (type de molécule, température et densité des milieux gazeux, polarisation, direction de propagation et intensité des champs laser)

Contrôle quantique par impulsions ultra-courtes et intenses

Description détaillée ici.

Applications et développements

  •  Micro-usinage
  •  Structuration de surfaces

Filamentation laser

Des atomes et/ou des molécules soumis à des champs lasers intenses (10-100 TW/cm2) et non résonants présentent des dynamiques hautement non linéaires qui ont motivé d’importantes études à la fois expérimentales et théoriques et conduit à l’observation de phénomènes tels que l’ionisation au dessus du seuil (ATI), la génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG), la génération d’impulsions attosecondes ou la filamentation. Actuellement, notre activité est consacrée l’étude de ces phénomènes hautement non-lineaire tant du point de vue théorique d’expérimental.

Dynamique collisionnelle dans les mélanges gazeux

Cette activité concerne l’étude des processus de relaxation, les mécanismes collisionnels d’élargissement et leurs conséquences aussi bien dans le domaine des fréquences (modélisation de profils spectraux que dans le domaine des temps. Nous possédons désormais une compréhension approfondie et une modélisation spectrale et temporelle très fine de ces mécanismes collisionnels complexes.

Il est remarquable de noter que l’étude de ces problèmes collisionnels permet de rejoindre l’autre thématique de l’équipe sur l’alignement moléculaire. En effet, deux composantes d’alignement sont en général observées : l’une est transitoire et apparaît avec une période bien précise, l’autre correspond à un alignement dit permanent. Des études théoriques ont montré que les processus de relaxation sont différents pour ces deux composantes. Nous pouvons donc ainsi obtenir des informations assez complètes sur ces différents processus.

Nos équipements

Nous possédons deux systèmes laser femtosecondes produisant des impulsions d’une centaine de femtosecondes à la longueur d’onde centrale de 800 nm. Le premier système (Thalès Alpha 1000 et 100) délivre des impulsions à la cadence de 1 kHz (énergie par impulsion de l’ordre de 600-700 µJ) et à la cadence de 100 Hz (énergie par impulsion de l’ordre de 8-10 mJ). Le second système laser (Spectra-Physics Solstice) fournit des impulsions jusqu’à 3.5 mJ à 1 kHz. Ce dernier est complété par un OPA (TOPAS) et ses options permettant de couvrir le domaine spectral de l’UV à l’infrarouge (250 nm-11 mm). Deux dispositifs de mise en forme d’impulsion à cristaux liquides sont disponibles pour des expériences d’optimisation de processus par algorithme génétique.

Ces équipements laser sont accompagnés d’appareils de mesure de caractéristiques des impulsions : auto-corrélateur monocoup (durée), SPIDER (profil et phase temporels), spectromètres, mesureurs de puissance et d’énergie, et mesureur de profil spatial.

La mise en œuvre des échantillons gazeux pour les expériences est réalisée dans des cuves statiques (éventuellement haute pression et température), dans un jet moléculaire (pulsé ou continu, couplé à un spectromètre de masse à temps de vol si nécessaire), ou dans un spectromètre à imagerie d’électrons et d’ions.

Collaborations

Nos travaux de recherche impliquent des collaborations au niveau national et international. Nous prenons le parti dans ce rapport de ne mentionner que celles qui ont conduit à des articles co-signés publiés ou à paraître entre 2006 et 2010 :

  • Université de Genève, Suisse, pour l’aspect alignement et filamentation
  • Institut IESL-FORTH, Héraklion, Grèce, pour l’aspect dynamique ultrarapide
  • Institut NRC, Ottawa, Canada, pour l’aspect alignement et filamentation
  • Institut Max-Planck, Garching, Allemagne (pour l’aspect dynamique ultrarapide)
  • ONERA Palaiseau, pour l’aspect spectroscopie résolue en fréquence
  • Lund Institute of Technology (LTH), Suède, pour l’aspect spectroscopie résolue en fréquence
  • LISA, Université Paris VII, pour l’aspect spectroscopie résolue en fréquence et en temps
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