Une solution élégante pour mesurer les impulsions laser ultracourtes

Les impulsions laser ultracourtes – plus courtes qu’un millionième de millionième de seconde – ont transformé la science fondamentale, l’ingénierie et la médecine. Malgré cela, leur durée ultracourte les a rendues insaisissables et difficiles à mesurer.  Il y a environ dix ans, des chercheurs de l’Université de Lund et de l’Université de Porto ont introduit un outil pour mesurer la durée des impulsions des lasers ultrarapides. La même équipe vient maintenant de réaliser une percée qui permet la mesure d’impulsions laser individuelles sur une plage de paramètres plus large et dans une configuration plus compacte.

« Les mesures standard actuelles pour les lasers femtosecondes, typiquement utilisés dans l’industrie et la médecine, ne donnent qu’une estimation de la durée de l’impulsion. Notre approche fournit une mesure plus complète et peut contribuer à libérer tout le potentiel de la technologie laser ultrarapide » explique Daniel Díaz Rivas.

Le concept d’impulsions femtosecondes est difficile à saisir pour la plupart d’entre nous. Pourtant, elles sont utilisées pour un large éventail d’applications quotidiennes, de la chirurgie oculaire à l’usinage de précision dans l’industrie. Les impulsions laser extrêmement courtes peuvent même étudier les processus les plus rapides de la nature, comme le transfert d’énergie dans la photosynthèse et la dynamique des électrons.

Même si elles sont de plus en plus utilisées, la mesure précise de la forme et de la durée des impulsions reste une tâche difficile. Les instruments électroniques sont trop lents, c’est pourquoi les chercheurs se sont tournés vers des méthodes optiques.

Les méthodes actuelles sont limitées

Cependant, ces types de techniques optiques nécessitent généralement plusieurs mesures dans une séquence de balayage. Cela les rend inadaptées à la capture d’impulsions individuelles en temps réel. 

Des versions à tir unique ont émergé pour caractériser les impulsions très courtes couramment utilisées en science fondamentale – mais elles peinent avec les impulsions plus longues plus couramment utilisées dans les applications industrielles et médicales. Les limitations sont liées à la complexité d’étirer suffisamment les impulsions dans une configuration optique compacte.

Une solution élégante émerge

Des chercheurs de l’Université de Lund ont maintenant développé un moyen compact et élégant d’étirer les impulsions laser ultrarapides en utilisant un principe optique simple. En envoyant un faisceau laser pulsé à travers un réseau de diffraction – un composant qui sépare spatialement la lumière en ses couleurs – et en imagant le réseau avec une combinaison de lentilles, ils peuvent contrôler avec précision la durée de l’impulsion à travers le faisceau laser. 

Cette approche permet d’allonger les impulsions femtosecondes plus de dix fois dans une configuration optique compacte.

Cela permet une caractérisation complète en un seul tir, sans avoir besoin d’éléments optiques de pré-compensation. Le résultat de ce travail est une technique polyvalente qui peut fonctionner pour des durées d’impulsion allant de quelques femtosecondes à des centaines, couvrant ainsi les applications scientifiques, industrielles et médicales. Elle ouvre la porte à la surveillance en temps réel d’impulsions individuelles, quelque chose qui était auparavant hors de portée pour de nombreuses plateformes laser.

Perspectives

Au-delà de la caractérisation des impulsions, ce principe optique peut être appliqué pour façonner les propriétés spatio-temporelles des impulsions lumineuses et explorer différentes manières d’étudier les interactions lumière-matière. 

« Alors que les lasers ultrarapides continuent de stimuler l’innovation en science et technologie, des outils comme celui-ci seront essentiels pour repousser les limites de la précision et de la compréhension » conclut Cord Arnold.

LA MÉTHODE D-SCAN

Puisque les impulsions laser ultracourtes ne peuvent pas être mesurées avec des instruments électroniques, des méthodes indirectes ont été développées. Le balayage par dispersion (d-scan) repose sur la manipulation des propriétés optiques de l’impulsion d’une manière connue tout en enregistrant le spectre de l’interaction avec un milieu. Cela donne une structure de données bidimensionnelle, comme une image, qui contient suffisamment d’informations pour retrouver mathématiquement l’impulsion. L’étape essentielle de la manipulation est une compression et un étirement contrôlés de l’impulsion dans le domaine temporel.

Article : Spatially dependent group delay dispersion from a diffraction grating and its application to the single-shot d-scan technique – Journal : Optica – DOI : Lien vers l’étude

Source : Lund U.