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Antoine Monmayrant Thèse effectuée sous la direction de Béatrice Chatel Equipe FEMTO (Bertrand Girard) Université Paul Sabatier Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité 27 juin 2005 Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples.

Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

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Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples. Antoine Monmayrant Thèse effectuée sous la direction de Béatrice Chatel Equipe FEMTO (Bertrand Girard) Université Paul Sabatier Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité 27 juin 2005. Le cadre:. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Antoine Monmayrant

Thèse effectuée sous la direction de Béatrice ChatelEquipe FEMTO (Bertrand Girard)

Université Paul SabatierLaboratoire Collisions Agrégats Réactivité

27 juin 2005

Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes.

Contrôle cohérent de systèmes simples.

Page 2: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Le cadre: contrôle cohérent... 2

Le cadre:

Contrôle Cohérent:

Contrôle de la matière par son interaction avec une lumière cohérente contrôlée.

Page 3: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Le cadre: contrôle cohérent... 3

Contrôle cohérent: les débutsInterférences de chemins quantiques

Séquenced’impulsions

ABC1

2

Contrôle rudimentaire:

Peu de paramètres de contrôle (1 voire 2).Dispositif complexe et spécifique.Limité aux systèmes simples dont la physique est connue.

Comment contrôler des systèmes complexes ?

A+BCAB+C

ABC

Page 4: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Le cadre: contrôle cohérent... 4

Contrôle de systèmes complexes

ExpérienceThéorie

Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée

Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992

Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001

Gerber, et al.Science, 282, 1998

Pour contrôler des systèmes complexes:

Beaucoup de paramètres de contrôle (~500).

Mise en forme PROGRAMMABLE.

Algorithme d’optimisation.

Rabitz, et al.Science, 259, 1993

Optimiser le signal mesuré

Systèmecomplexe

Façonneur

Algorithmed’évolution

MesureForme

FEMTOPINK
Refaire blahblah avec nv T entre theorie et exp pr expliquer rôle des façonneurs.
Page 5: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Le cadre: contrôle cohérent... 5

Contrôle de systèmes complexes

ExpérienceThéorie

Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée

Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992

Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001

Gerber, et al.Science, 282, 1998

Pour contrôler des systèmes complexes:

Beaucoup de paramètres de contrôle (~500).

Mise en forme PROGRAMMABLE.

Algorithme d’optimisation.

Rabitz, et al.Science, 259, 1993

Optimiser le signal mesuré

Systèmecomplexe

Façonneur

Algorithmed’évolution

MesureForme

Façonneur

Page 6: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Le cadre: contrôle cohérent... 6

Contrôle de systèmes complexes

ExpérienceThéorie

Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée

Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992

Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001

Gerber, et al.Science, 282, 1998

Rabitz, et al.Science, 259, 1993

Optimiser le signal mesuré

Systèmecomplexe

Façonneur

Algorithmed’évolution

MesureForme

Nombreux résultats:

Agrégats

Molécules biologiques

Champ fort

Wöste, et al., CP, 267, 2001

Motzkus, et al. Nature, 417, 2002

Rabitz, et al. Science, 292, 2001

Page 7: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Le cadre: contrôle cohérent... 7

Nombreux résultats:

Transitions à 2 photons

Petites molécules

Transitions à 1 photon

Leone, et al., JCP, 108, (22), 1998

Girard, et al., PRL, 89, (20), 2002

Meshulach et Silberberg, Nature, 396, (6708), 1998

Contrôle cohérent: ouverture…Contrôle en boucle ouverte de systèmes simples

Montrer un nouvel effet?

SystèmeSimple

Façonneur

Théorie

MesureForme

Meshulach,SilberbergNature, 3961998

ExpérienceThéorie

Page 8: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Le cadre: contrôle cohérent... 8

L’apport des façonneurs:

L’apport des façonneurs au contrôle cohérent:

► Stratégie « universelle » de contrôle de systèmes complexes.► Nouvel outil de compréhension de ces systèmes ?

► Dispositifs « simples » et versatiles (prototypage rapide).► Grande liberté pour les mises en forme (complexité).► Mises en forme cohérentes par construction.

Page 9: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples. 9

Au menuI. Mise en forme

d’impulsions(femtoseconde)

II. Caractérisationd’impulsions(femtoseconde)

III. Conclusion - Perspective

Page 10: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions 10

1. Problématique

2. Comment façonner l’ultracourt ?

3. Paramètres clefs

4. Mise en œuvre

I. Mise en forme d’impulsions

( )EE t ( )SE tFaçonneur

Page 11: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 11

1. Problématique

2. Comment façonner l’ultracourt ?

3. Paramètres clefs

4. Mise en œuvre

I. Mise en forme d’impulsions

( )EE t ( )SE tFaçonneur

Page 12: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 12

Ultracourt: pas de façonnage temporel

Il n’existe pas de modulateur temporel assez rapide(électro-optiques ~ 500 fs)

( ) Re ( )t E tMettre en forme l'impulsion : modifier E

( )( ) ( ) iE E e ( )( ) ( ) i tE t E t e F

-1FToute l’information est présente dans le domaine spectral

Contrôle en PHASE et AMPLITUDE du champ spectral

Page 13: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 13

Mise en forme spectrale

Filtre spectral linéaire et passif:

pas d’amplification et aucune nouvelle fréquence.

S E 2( ) 1H

( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) iS EE H E H A e avec

Fonction de transfert dont on contrôle la phase et l’amplitude

( )EE t ( )SE t limitée par TF( )( ) EiH e

( )EE t ( )SE t à dérivede fréquence

( 2) 2 / 2( ) iH e

1

0 ~ E

Page 14: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 14

1. Problématique

2. Comment façonner l’ultracourt ?

3. Paramètres clefs

4. Mise en œuvre

I. Mise en forme d’impulsions

( )EE t ( )SE tFaçonneur

Page 15: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 15

f f f f

L1 L2Plan de Fourier

G1 G2

Froehly, et al.,Progress in optics, 20, 1983

Canal historique

L’impulsion n’est pas modifiée par la traversée du façonneur

( )EE t ( )EE t

dispersionangulaire

Ligne à dispersion nulle (ligne 4f)

Page 16: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 16

Canal historique

Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque fixe

f f f f

L1 L2Masque

G1 G2

( )EE t ( )SE t

dispersionangulaire

Page 17: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 17

Canal historique

Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque programmable

.X f M X .( )( () )ES M f EE

f f f f

L1 L2

G1 G2

( )EE t ( )SE t

M X

X

dispersionangulaire

Weiner, A.M.,RSI, 71, (5), 2000

Page 18: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 18

Autre approche récenteFiltre Acousto-Optique Dispersif Programmable (AOPDF)

S

Axe lent

Axe rapide

Verluise, et al, OL, 25, (8), 2000

Interaction colinéaire entre l’impulsion laser et une onde acoustique.

( )(( ) / )S EE S E 710.

c

nV

Autocompensation de la dispersion du cristal.

S t

( )EE t

( )SE t

FEMTOPINK
Deltan est l'anisotropie de groupe (optique)V est la vitesse de propagation de l'onde dans le cristal.c vitesse de la lumière.
FEMTOPINK
Omega~10aines de MHz pour omega~ 100aines THz
Page 19: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 19

Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV

Seres, et al.,OL, 28 , (19), 2003

Impulsions très courtes et intenses (AOPDF)

Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004

Impulsions trèscomplexes (ligne 4f)

Beaucoup d’autres résultats …

Page 20: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 20

Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV

Façonnage accordable (AOPDF)

Monmayrant, et al.,APB, 2005

Façonnage large bande (ligne 4f)

Zeidler, et al.OL, 26, (23), 2001

Beaucoup d’autres résultats …

Page 21: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 21

1. Problématique

2. Comment façonner l’ultracourt ?

3. Paramètres clefs

4. Mise en œuvre

I. Mise en forme d’impulsions

( )EE t ( )SE tFaçonneur

Page 22: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 22

Seuil de dommageEnergie en entrée

(µJ → mJ)

Paramètres clefs: compromis…

Taux de rafraîchissement(Hz → 100kHz)

Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…

Phase/AmplitudePhase seule

Amplitude seule

Contraste

Transmission(1% → 90%)

( )EE t ( )SE tFaçonneur

Complexité(10 → 1000)

Page 23: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 23

Seuil de dommageEnergie en entrée

(µJ → mJ)

Paramètres clefs: compromis…

Taux de rafraîchissement(Hz → 100kHz)

Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…

Phase/AmplitudePhase seule

Amplitude seule

Contraste

Transmission(1% → 90%)

( )EE t ( )SE tFaçonneur

Complexité(10 → 1000)

Page 24: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 24

Complexité: une définition simple

Complexité élevée => impulsions fortement façonnées.

/E H

( )E

Double contrainte: bande spectrale limitée et résolution finie.

Weiner et al, JOSAB, 5, (8), 1988

/HT

( )E t

t

~ 1000 ~ 10

Page 25: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 25

1. Problématique

2. Comment façonner l’ultracourt ?

3. Paramètres clefs

4. Mise en œuvre

I. Mise en forme d’impulsions

( )EE t ( )SE tFaçonneur

IRSAMC
remplacer figure du haut par la ligne 4f
Page 26: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 26

Simplement maximiser la complexité

/E H

( )E

Maximiser la dispersion spatiale.Maximiser le nombre de pixels.

Ligne à dispersion nulle très dispersive…

- tout réflectif et géométrie sans aberration.- réseaux très dispersifs: 2000 traits/mm.- grande focale: f=600 mm.

Page 27: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 27

Simplement maximiser la complexité

/E H

( )E

Maximiser la dispersion spatiale.Maximiser le nombre de pixels.

Masques à Cristaux Liquides:

- Faible résolution (128 pixels) en PHASE et AMPLITUDE.

- Haute résolution (640 pixels) en PHASE SEULE.

Page 28: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 28

Simplement maximiser la complexité

Maximiser la dispersion spatiale.Maximiser le nombre de pixels.

Association de 2 masques de Phase haute résolution

- 2 Masques à CL de Jenoptik: 640 pixels: 100 µm (97+3µm). 300 GW/cm².

1 masque en Phase et Amplitude Haute résolution

Stobrawa, et al.,APB, 72, (5), 2001

Page 29: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 29

Simplement maximiser la complexité

Performances:

- fenêtre de 35 ps (0,06 nm/pixel).- ~220, maxi de 350.- transmission totale: 70%.- seuil de dommage: 300 GW/cm².

Monmayrant et ChatelRSI, 75, (8), 2004

HRPS

Page 30: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 30

Alignement ligne 4f : 32 degrés de liberté?

Alignement des masques :6 degrés de liberté 40 cm 3µmFabrication des supports

Les choses simples ne le sont pas

Calibration / Programmation:pas toujours faite comme il le faudrait

Page 31: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions4.Mise en œuvre 31

Physique complexePixellisation et interstices

Dispersion spatiale non-linéaire-4 -2 0 2 4

-2

0

2

Temps (ps)

Pos

. tra

nsve

rse

(mm

)

Couplage spatiotemporel

Page 32: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 32

II. Caractérisation d’impulsions

1. Mesurer l’ultracourt ?

2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?

3. Une sonde sensible

4. Reconstruction de fonction d’onde atomique

5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

Page 33: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 1.Mesurer l'ultracourt ? 33

II. Caractérisation d’impulsions

1. Mesurer l’ultracourt ?

2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?

3. Une sonde sensible

4. Reconstruction de fonction d’onde atomique

5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

Page 34: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 1.Mesurer l'ultracourt ? 34

Mesure ou caractérisation complète?Mesurer l’impulsion: déterminer ( ) Re ( )t E tE

( )( ) ( ) iE E e ( )( ) ( ) i tE t E t e F

-1F

Caractérisation complète: déterminer l’amplitude et la phasedans le domaine spectral ou temporel.

Il n’existe pas de détecteur temporel assez rapide(caméras à balayage de fente ~ 500 fs)

Page 35: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 1.Mesurer l'ultracourt ? 35

Ex: corrélation interférométrique du premier ordre

( )E tPhotodiode

0 ( )E t

0

2( ) ) ( )( ES E t dt t

*0( ) (( ) )S EE donne F 0 ( ) ( )E E Si est connu, on mesure

Nécessite une impulsion déjà caractérisée ayant les mêmes propriétés spectrales (longueur d’onde, largeur).

Le problème de caractérisation est rejeté sur la référence.Mesures autoréférencées (SPIDER, FROG,..)

Mesures à référence

Page 36: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 36

II. Caractérisation d’impulsions

1. Mesurer l’ultracourt ?

2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?

3. Une sonde sensible

4. Reconstruction de fonction d’onde atomique

5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

Page 37: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 37

Excitation résonnante en régime perturbatif

Transitoires Cohérents: Théorie

( ) ( ) egi t

ea E t e dt

e

g( )E t

Interaction entre un système à deux niveaux et une impulsion courte

Page 38: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 38

Transitoires Cohérents: Théorie

0

c

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

t (fs)

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 20000.000

0.005

0.010

0.015

t (fs)

2( ) ( )e eP t a t ( )eP t

2( )E t 2

( )E t

t

t

Impulsion limitée par Transformée de Fourier

Impulsion à dérive de fréquence

(2) 20

( ) 0 (2)

2( ) ( )2 eg

( ) ( ) egi t

ea E t e dt

e

g( )E t

Page 39: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 39

Phase quadratique temporelle

Théorie: Spirale de Cornu

Passage par la résonance:

phase stationnaire

Après la résonance: Oscillations

Avant la résonance : Variation lente

|ae(t)|²

0

Temps

Pe(t)

eIm

(a(t

))

Re(ae(t))

-0.1 0.0 0.1 0.2

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

(2) 20

2 2

( 2)2( ) 4 c

t tit

ea t e dt

Page 40: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 40

Phase quadratique temporelle

Théorie: Spirale de Cornu

Passage par la résonance:

phase stationnaire

Après la résonance: Oscillations

Avant la résonance : Variation lente

|ae(t)|²

0

Temps

Pe(t)

eIm

(a(t

))

Re(ae(t))

-0.1 0.0 0.1 0.2

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

(2) 20

2 2

( 2)2( ) 4 c

t tit

ea t e dt

Page 41: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 41

Phase quadratique temporelle

Théorie: Spirale de Cornu

Passage par la résonance:

phase stationnaire

Après la résonance: Oscillations

Avant la résonance : Variation lente

|ae(t)|²

0

Temps

Pe(t)

eIm

(a(t

))

Re(ae(t))

-0.1 0.0 0.1 0.2

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

(2) 20

2 2

( 2)2( ) 4 c

t tit

ea t e dt

Page 42: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 42

Phase quadratique temporelle

Théorie: Spirale de Cornu

Passage par la résonance:

phase stationnaire

Après la résonance: Oscillations

Avant la résonance : Variation lente

|ae(t)|²

0

Temps

Pe(t)

eIm

(a(t

))

Re(ae(t))

-0.1 0.0 0.1 0.2

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

(2) 20

2 2

( 2)2( ) 4 c

t tit

ea t e dt

Page 43: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 43

Phase quadratique temporelle

Théorie: Spirale de Cornu

Passage par la résonance:

phase stationnaire

Après la résonance: Oscillations

Avant la résonance : Variation lente

|ae(t)|²

0

Temps

Pe(t)

eIm

(a(t

))

Re(ae(t))

-0.1 0.0 0.1 0.2

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

(2) 20

2 2

( 2)2( ) 4 c

t tit

ea t e dt

Page 44: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 2.Que sont lesTransitoires Cohérents ? 44

Observation expérimentale

20psc

on resonance’’=-8 105 fs2

t1 t2

2 2 "

5 2

à résonance

8 10 fs

-2 0 2 4 6 8 10

Délai (ps)

Flu

o. 6p

-5s

(u.

arb

.)

Zamith, et al, PRL, 87, (3), 2001

Page 45: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 45

II. Caractérisation d’impulsions

1. Mesurer l’ultracourt ?

2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?

3. Une sonde sensible

4. Reconstruction de fonction d’onde atomique

5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

Page 46: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 46

Contrôle: temps - fréquence

t

egegt

Page 47: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 47

Contrôle: saut de phase de

t

egegt

s

s

st

Page 48: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 48

Contrôle: saut de phase de

t

egegt

s

s

st

Page 49: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 49

Saut de phase de : expérience

Collaboration avec M. Motzkus

(MPQ Garching)

Ligne 4f CL128 pixels0.26nm/pix

|ae(t

)|2 (

u. a

rb.)

temps (ps)

Saut de phase de 0,26 nm après la résonance

-2 0 2 4 6 8

2 2t

Transitoires cohérents très sensibles à la position du saut.

Degert,et al, PRL, 89, (20), 2002

Page 50: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 50

Une sonde sensible….6d, 8d

5p2P1/2

5s

6p

Fluo420 nm

Rb

Phase Quadratique

NOPAChaîneLASER

795 nm1kHz1 mJ130 fs

607 nm1kHz5 µJ30 fs

795 nm, 1kHz5 µJ, 20ps

Rb

PM

Rb

HRPS:2 CL

640 pixels0.06nm/pix

Saut de phase de à variable (pas de 0,06 nm)

Page 51: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 3.Une sonde sensible 51

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

|a e(t

)|2

(a.u

.)

delay (ps)

shift from resonance -9 pixels (0.54 nm) -8 pixels (0.48 nm) -7 pixels (0.42 nm) -6 pixels (0.36 nm) -5 pixels (0.30 nm)

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000

shift from resonance -9 pixels (0.54 nm) -8 pixels (0.48 nm) -7 pixels (0.42 nm) -6 pixels (0.36 nm) -5 pixels (0.30 nm)

|a e(t

)|2

(a.u

.)

delay (ps)

Une sonde sensible….

Transitoires très sensibles: on repère un décalage de 0,06 nm.Caractérisation de façonneurs à haute résolution:

Wohlleben, et al., APB, 79, (4), 2004

Caractérisation complète d’impulsions par Transitoires Cohérents ?Monmayrant et al., CLEO 2005, soumis à OL

Page 52: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 52

II. Caractérisation d’impulsions

1. Mesurer l’ultracourt ?

2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?

3. Une sonde sensible

4. Reconstruction de fonction d’onde atomique

5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

( ) ( ) egi t

ea E t e dt

e

g( )E t

Page 53: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 53

Transitoires Cohérents: amplitude?

0.30.0 0.1 0.2

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

eIm

(a(t

))

Re(ae(t))

teg

egt

Pe(t)

Pas de signal avant la résonance: aucune information sur la première demi-spirale.

Page 54: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 54

Transitoires Cohérents: amplitude?

0.30.0 0.1 0.2

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

eIm

(a(t

))

Re(ae(t))

On transfère de la population à l’aide d’une pré-impulsion.

- Pas de recouvrement temporel.

- Les Transitoires Cohérents dépendent de la phase relative à résonance.

- ae(t) est complexe:2 enregistrements nécessaires.

Page 55: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 55

2

1 2( ) ( ) ( )ie eS a e a

1( )E t 2( )ie E t 0

0

Des transitoires à l’amplitude

Deux séquences de deux impulsions avec une phase relative contrôlée

0( )S

( )S

Page 56: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 56

Reconstruction expérimentale: pré-requis

1 2( ) ( )iE t E te

Comment créer des séquences d’impulsions:

-séparées par des délais importants.

-avec un contrôle interférométrique des délais.

-une stabilité sur plusieurs minutes, voire des heures.

?

Page 57: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 57

Reconstruction expérimentale: test

Deux impulsions limitées par TF avec une phase relative …(1)1 1

( ) exp ( )2 2 pH i i

-1 0 1 2 3 4 50

1

2

3

4

|ae2

(t)|2 (

u.

arb

.)

Délai (ps)

Inte

nsi

té (

u.

arb

.)

0 1 2 3 4

0

2

4

|ae2

(t)|2 (

u. a

rb.)

Phase (rad)

(1) 3 ps

Page 58: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 58

Spirographe atomique…(2)

(1) 21 1( ) exp ( ) ( )

2 2 2p pH i i i

(1) 6 ps(2) 5 22.10 fs

/ 5

/ 5 / 2

1 2( ) ( )iE t E te

Page 59: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 59

Evolution temporelle de ae2(t)

Im[ae2(t)] (u

. arb.)

Re[ae2 (t)] (u. arb.)

Tem

ps

(fs)

Page 60: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 60

Mesure de fonction d’ondeQu’avons-nous mesuré?

Evolution forcée d’un niveau atomique

Technique proche de l’holographie quantique

Mais habituellement on suit l’évolution libre d’un paquet d’onde - Tomographie quantique

- Holographie quantique

- Mesure de paquet d’onde

Leichtle, et al., PRL, 80, (7), 1998

Walmsley, J. Phys. B, 31, 1998

Leichtle, et al., PRL, 80 , (7), 1998

Weinacht, et al., PRL, 80, (25), 1998

Page 61: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 61

II. Caractérisation d’impulsions

1. Mesurer l’ultracourt ?

2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?

3. Une sonde sensible

4. Reconstruction de fonction d’onde atomique

5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

Page 62: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 62

Dérivation du champ électrique

Amplitude de probabilité Intégrale du champ électrique

2 2( ) ( ) egi t

ea E t e dt

2 2( ) ( ) egi t

e

da t E t e

dt

2 ( )egE 2 ( ) egi tE t e F

1 2( ) ( )iE t E te

Page 63: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 63

Reconstruction du champ électrique

Des transitoires…

Page 64: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 64

Reconstruction du champ électrique

Des transitoires…

… à l’amplitude de probabilité...

Page 65: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 65

Reconstruction du champ électrique

Des transitoires…

… à l’amplitude de probabilité...

… et au champ électrique.

Page 66: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 66

Par différence entre les deux mesures, on détermine la dispersion du

barreau de verre: ( )d eg

Mesure de dispersion

( )egE ( ) egi tE t e F

( )E t

Dispositif de mesure

(avec façonneur)

a)

barreau ( )( ) d egi

egE e ( ) egi t

dE t e F

( )E t ( )dE t

Dispositif de mesure

(avec façonneur)

b)

Page 67: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 67

Mesure de dispersion

Page 68: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 68

Effet de la sonde(

2

) )) (( ( ) fe

e

i t

sb E t e t dta

2(( () ))s fe egE ES

( ) ( )d

S bd

Fluo

e

f

g2 ( )E t

( )sE t

1( )E t

Mesure à référence: la sonde doit être connue (ou la pompe!).

Terme interférométrique inhabituel: résonance à 2 photons.Décalage spectral: terme “amplitudométrique” à deux couleurs.

La sonde peut être longue mais doit être caractérisée.

2 2( ) ( ) egt i t

e e da tt E t

Page 69: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 69

Une technique de plus?

2(( () ))s fe egE ES

Technique adaptable?

- Principe général: accordable à différentes gammes spectrales.- Fonctionne aussi pour un continuum (ionisation par la sonde).- Semble donc applicable à la caractérisation XUV.

Technique adaptée aux impulsions fortement façonnées:

- Très bonne résolution spectrale (Doppler).- Permet la caractérisation d’impulsions très étirées.- Permettrait la caractérisation d’impulsions composées de plusieurs lobes séparés (contrairement aux mesures autoréférencées).- Mesure in situ.

Page 70: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Conclusion - Perspectives 70

Conclusion - PerspectivesFaçonneur haute résolution

► Forte complexité (35 ps / 100 fs).► Grande efficacité (70%).► Seuil de dommage élevé.

Mesure de fonction d’onde

► Amplitude de probabilité à l’échelle fs.► Système en interaction.

Caractérisation complète

► A référence à deux couleurs.► Très haute résolution.► Impulsions très étirées.

Page 71: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Conclusion - Perspectives 71

Conclusion - PerspectivesFaçonneur haute résolution

► Forte complexité (35 ps / 100 fs).► Grande efficacité (70%).► Seuil de dommage élevé.

Mesure de fonction d’onde

► Amplitude de probabilité à l’échelle fs.► Système en interaction.

Caractérisation complète

► A référence à deux couleurs.► Très haute résolution.► Impulsions très étirées.

► Transfert à l’UV.► Contrôle optimal (molécules).► Une idée? Essayons…

Page 72: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Conclusion - Perspectives 72

Conclusion - PerspectivesFaçonneur haute résolution

► Forte complexité (35 ps / 100 fs).► Grande efficacité (70%).► Seuil de dommage élevé.

Mesure de fonction d’onde

► Amplitude de probabilité à l’échelle fs.► Système en interaction.

Caractérisation complète

► A référence à deux couleurs.► Très haute résolution.► Impulsions très étirées.

► Transfert à l’UV.► Contrôle optimal (molécules).► Une idée? Essayons…

► Sonde vers un continuum (ionisation).► Plusieurs niveaux excités.

Page 73: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Conclusion - Perspectives 73

Conclusion - PerspectivesFaçonneur haute résolution

► Forte complexité (35 ps / 100 fs).► Grande efficacité (70%).► Seuil de dommage élevé.

Mesure de fonction d’onde

► Amplitude de probabilité à l’échelle fs.► Système en interaction.

Caractérisation complète

► A référence à deux couleurs.► Très haute résolution.► Impulsions très étirées.

► Transfert à l’UV.► Contrôle optimal (molécules).► Une idée? Essayons…

► Sonde vers un continuum (ionisation).► Plusieurs niveaux excités.

► Impulsions UV.► Sonde vers un continuum.► Impulsions très complexes.

Page 74: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Mise en forme d’impulsions 74

Page 75: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 75

Comparaison: mesure à référence

2(( () ))s fe egE ES *0 2( ) ( ) ( )refS E E

“Spirographe”

- mêmes largeurs spectrales.

- gammes spectrales différentes.

- aucun besoin d’une précision interférométrique entre la pompe et la sonde.

Corrélation interférométrique

- mêmes largeurs spectrales.

- mêmes gammes spectrales.

- précision interférométrique.

Page 76: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions4.Notre contribution 76

Physique complexePixellisation et interstices

Dispersion spatiale non-linéaire

-4 -2 0 2 4

-2

0

2

Temps (ps)

Pos

. tra

nsve

rse

(mm

)

Couplage spatiotemporel

Stobrawa, et al.,APB, 72, 2001

Page 77: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Mise en forme d’impulsions 77

Page 78: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Mise en forme d’impulsions 78

Page 79: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 79

2

1 2( ) ( ) ( )ie eS a e a

1( )E t 2( )ie E t

0

0

Des transitoires à l’amplitudeDeux séquences de deux impulsions avec une phase relative

contrôlée

0( )S

( )S

Page 80: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 80

2

1 2( ) ( ) ( )ie eS a e a

1( )E t 2( )ie E t

0

0

00( ) ( )r S

1( ) ( )r S

Des transitoires à l’amplitudeDeux séquences de deux impulsions avec une phase relative

contrôlée

0( )S

( )S

Reconstruction géométrique r0(), r1().

Page 81: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 81

Reconstruction géométrique

Page 82: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 82

Reconstruction géométrique

Page 83: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 83

Reconstruction géométrique

Page 84: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 84

Reconstruction géométrique

Page 85: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

III.Caractérisation d’impulsions3. Reconstruction de fonction d'onde atomique 85

Reconstruction géométrique

Page 86: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Mise en forme d’impulsions 86

FROG (Frequency Resolved Optical Gating)

2 ( , )E t( )E t

Spectromètre( )E t

(2) 2

2( , )) ( ,ES t F

( , )( )

SE

contient suffisament d'information pourretrouver à l'aide d'un algorithme itératif.

Autres techniques: -dérivés du FROG (THG-FROG, XFROG, TOAD,…).-SPIDER (Spectral Interferometry for Direct Electricfield

Reconstruction) et ses dérivés (M-SPIDER, HOT SPIDER,…).

Page 87: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Mise en forme d’impulsions 87

SPIDER

E

cE

fixe

1dE 2dE

1 1( ) ( )j w w j w w dw- - - -

1( )j w w- ( )j w

1 1( ) ( )j w w j w w dw wt- - - - +

dw®

1w w+l

1dE% 2dE%

C. Iaconis et I. A. Walmsley, Opt. Letter 23 (1998) 792

Page 88: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Mise en forme d’impulsions 88

HOT SPIDER

1( ) ( )hj w w j w wt- - +

1( ) ( )

...hj w w dw j w

wt

- - -

+

1 1( ) ( )j w w j w w dw- - - -( )j w

1

1

( ) ...

... ( )

j w w

j w w dw wt

- -

- - +

C. Dorrer et al, Opt. Letter 26 (2001) 1510

Page 89: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

II.Mise en forme d’impulsions 89

L’art du compromis…

« Nettoyage » d’impulsionsavant amplification

Faible complexité Faible transmission Contrôle partiel (phase) Faible seuil de dommage

Taux de rafraîchisst élevé Contraste élevé Faible encombrement

Contrôle cohérent de processus non-linéaire

Haute complexité Bonne transmission Contrôle total (phase/amp) Seuil de dommage élevé

Taux de rafraîchisst bas Répliques pas gênantes Encombrement quelconque

Page 90: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 90

Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV

Seres, et al.,OL, 28 , (19), 2003

Impulsions très courtes et intenses (AOPDF)

Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004

Impulsions trèscomplexes (ligne 4f)

Beaucoup d’autres résultats …

Page 91: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 91

Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV

Façonnage accordable (AOPDF)

Monmayrant, et al.,APB, 2005

Façonnage large bande (ligne 4f)

Zeidler, et al.OL, 26, (23), 2001

Beaucoup d’autres résultats …

Page 92: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 92

Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV

Façonnage direct?(ligne 4f CL-2D)

Différence de fréquence

Witte, et al,APB, 76, (4), 2003

Belabas, et al.OL, 26, (10), 2001

Vaughan, et al.OL, 30, (3), 2005

Page 93: Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples

I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 93

Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV

Façonnage direct: ligne 4fSomme de fréquence

Hacker et alJOSAB, 18, (6), 2001

Hacker, et al.APB, 76, (6), 2003

micro-miroirs

Roth, et alAPB, 80, (4 - 5), 2005

masque acousto-optique