- INTRODUCTION
- PROPAGATION ET MANIPULATION D'IMPULSIONS FEMTOSECONDES
- A QUOI SERVENT LES LASERS FEMTOSECONDES ?

LES LASERS FEMTOSECONDES ET LEURS APPLICATIONS

Qu'est-ce qu'un laser ?
Un laser est un dispositif qui produit un rayonnement lumineux très bien contrôlé grâce au mécanisme d'émission stimulée. Pour plus d'informations sur le laser voir par exemple :
http://www2.fsg.ulaval.ca/opus/physique534/optique/laser01.shtml
http://www.opticsvalley.org/pages/rubrique-90/index.html

Qu'est-ce qu'un laser femtoseconde ?
A l'inverse d'un laser conventionnel, qui produit habituellement un rayonnement continu, le laser femtoseconde produit des flashs très brefs de lumière qu'on appelle impulsions. Chaque impulsion dure de quelques fs à 100 fs.

Mais au fait, qu'est-ce que la lumière ?
La lumière est une onde qui se déplace de la même façon qu'une onde créée sur la surface de l'eau par la chute d'un caillou. La nature ondulatoire de la lumière a été reconnue dès le 17^ème siècle (historique). Depuis le 19^ème siècle, on sait que la lumière est constituée d'un champ électrique oscillant de façon sinusoïdale qui se déplace à la vitesse de la lumière c : 300 000 km/s. Pour comparaison, le son est aussi une onde qui se déplace mais la grandeur qui oscille est la pression dans l'air ce qui implique que, à l'inverse de la lumière, le son ne peut pas se propager dans le vide.
La période T de l'onde détermine la fréquence n=1/T, de la lumière, c'est-à-dire sa couleur. La longueur d'onde de la lumière, définie par la distance parcourue par la lumière en une période, est aussi souvent utilisée et est reliée à la fréquence par : l=c/n.

Pour avoir des impulsions brèves, il faut une bande de fréquences large

Quand on superpose plusieurs ondes avec différentes fréquences, à certains instants les ondes s'additionnent et elles s'annulent avant et après. Plus on rajoute de fréquences différentes (plus le spectre de fréquences est large), plus on obtient des impulsions brèves. Ainsi on obtient une onde avec seulement quelques oscillations au lieu d'un nombre infini d'oscillations comme dans le cas d'un laser continu.

Inversement, le nombre d'oscillations dans une impulsion étant très faible (voir image ci-contre), on ne peut pas définir la période et la fréquence avec précision. Ceci donne un certain nombre de fréquences autour d'une fréquence centrale n0. Ceci est tout à fait analogue du fait qu'il est difficile de percevoir la hauteur du son produit par un instrument à percussion (particulièrement dans les graves, comme pour une grosse caisse).

PROPAGATION ET MANIPULATION D'IMPULSIONS FEMTOSECONDES
Une impulsion courte le reste-t-elle?
Dans le vide, les différentes fréquences qui constituent une impulsion brève avancent à la même vitesse. Dans un matériau transparent, la lumière n'est pas absorbée mais sa vitesse est ralentie. Le rapport entre la vitesse de la lumière dans le matériau, s, et sa vitesse dans le vide, c, est appelé indice de réfraction : n=c/s. L'indice de réfraction du matériau dépend généralement de la fréquence n. Il faut donc écrire n(n) =c/s(n) Comme les différentes fréquences constituant une impulsion avancent à des vitesses différentes, l'impulsion s'allonge.
Quand les différentes fréquences n'arrivent pas simultanément, on dit que l'impulsion présente un glissement de fréquence (" chirp " en anglais c'est-à-dire gazouillis ; le gazouillis des oiseaux présentant également un glissement de fréquence).

Comment combattre cet allongement des impulsions ?
Pour compenser cet allongement des impulsions dans les matériaux optiques, on utilise différentes astuces pour faire parcourir aux fréquences qui sont en avance des trajets plus longs qu'aux fréquences qui sont en retard. Deux possibilités sont illustrées ci-dessous, la ligne de prismes et la ligne de réseaux.

Dans certains cas, il peut être intéressant de disposer d'impulsions dont les différentes fréquences arrivent dans un ordre particulier. Des lignes de prismes et de réseaux ainsi que des dispositifs plus complexes peuvent être utilisés pour engendrer ce type d'impulsions. On parle alors de façonnage d'impulsions.

A QUOI SERVENT LES LASERS FEMTOSECONDES ?
- Pouvoir observer des phénomènes très rapides(comme la dissociation d'une liaison chimique entre deux atomes)
Quand on photographie quelqu'un qui bouge rapidement, la photo est floue. Toutes les positions successives apparaissent sur la photo sans que l'on sache dans quel ordre elles ont été adoptées. Si, en revanche, on dispose d'un obturateur très rapide, on peut faire une série de photographies et ainsi décomposer le mouvement. C'est ainsi que, grâce à la chronophotographie utilisant des appareils photographiques avec obturateur rapide, des mouvements comme le galop du cheval peuvent être décomposés.

Les impulsions femtosecondes jouent le rôle de l'obturateur rapide à une échelle de temps 10⁹ à 10¹⁰ fois plus brève. On envoie ces flashs ultra-brefs de lumière pour sonder les propriétés optiques de la matière (transmission, réflexion, …) à l'instant précis de l'arrivée de l'impulsion femtoseconde. Quand on veut observer, par exemple, un grand nombre de molécules, il faut qu'elles se trouvent toutes dans le même état sinon on aura un effet de moyenne (de flou). Pour synchroniser toutes les molécules, on utilise une impulsion plus intense, appellée pompe, qui déclenche le processus physique qu'on veut étudier. Ensuite on fait arriver l'impulsion sonde à différents instants après le déclenchement du processus. Ces différents retards de la sonde par rapport à la pompe sont obtenus en faisant varier la longueur du chemin optique de la sonde. Comme la vitesse de la lumière vaut 300000 km/s, en faisant parcourir à la sonde 30 µm de plus, elle arrivera 100 fs plus tard. En lui faisant parcourir 3 m de plus, elle arrivera 10 ns plus tard. Ce type d'expérience est appelé expérience pompe-sonde.

- Concentrer beaucoup d'énergie en très peu de temps
Grâce aux lasers femtosecondes, on peut exposer les matériaux à des energies très élevées pendant des temps très courts et étudier leur propriétés dans ces conditions extrêmes. On peut ainsi rester en dessous du seuil de dommage des matériaux ce qui ne serait pas le cas si on exposait les matériaux à ces niveaux d'énergie pendant plus longtemps.

Micro-usinage
On peut également utiliser ces fortes concentrations d'énergie dans le temps pour le micro-usinage des matériaux. Dans le cas des impulsions femtosecondes, on évite l'échauffement des zones avoisinantes qui est inévitable lorsqu'on utilise des impulsions plus longues (ns ; 1 ns=10^-9 s).

Utiliser des effets d'optique non-linéaire (changement de longueur d'onde)
Dans la plupart des effets optiques de la vie quotidienne, nous nous situons dans le domaine de l'optique linéaire. L'intensité de la lumière transmise ou réflechie par un matériau est ainsi proportionnelle à l'intensité incidente. Si, par exemple, on double l'intensité incidente, l'intensité transmise est également doublée. Lorsqu'on dispose de très fortes concentrations d'énergie dans le temps, comme c'est le cas avec les lasers femtosecondes, concentrations que l'on peut accroître en utilisant des lentilles qui concentrent l'énergie dans l'espace, cette proportionnalité n'est plus respectée.
On peut introduire l'optique non-linéaire de la façon suivante :
L'interaction entre la lumière et la matière est fondée sur le fait que ce champ électrique agit sur les électrons de la matière et provoque leur déplacement. L'oscillation du champ électrique de la lumière induit une oscillation des électrons qui, à son tour, résulte en une émission de lumière. On peut imaginer les électrons de la matière et leur mouvement sous l'action du champ électrique comme un ressort qu'on peut tendre de plus en plus au fur et à mesure que l'on applique une force croissante. Pour de faibles forces, l'élongation du ressort est proportionnelle à la force appliquée. Au-delà, en revanche, on ne double plus l'élongation en doublant la force. De même, pour de la lumière intense, c'est-à-dire pour de fortes valeurs du champ électrique qui deviennent non négligeables par rapport aux champs régnant dans la matière, le déplacement des électrons de la matière n'est plus doublé lorsque le champ électrique est doublé. L'oscillation des électrons sous l'action du champ électrique de la lumière sera alors une sinusoïde déformée.

Une sinusoïde déformée peut être décrite comme la somme de sinusoïdes aux fréquences n, 2n, 3n, où n est la fréquence de la lumière incidente. On peut ainsi obtenir ce que l'on appelle doublage de fréquence ou génération de second harmonique (apparition d'une onde à 2n), triplement de fréquence (apparition d'une onde à 3n), voire même de la création d'harmoniques d'ordre élevé (100n et plus) en utilisant des impulsions très intenses.
Ces processus peuvent également être interprétés dans le cadre de la théorie corpusculaire de la lumière, où une onde de fréquence est représentée par un ensemble de particules, d'énergie hn, appelées photons (h est la constante de Planck). Ainsi le doublage de fréquence correspondra à la fusion de deux photons d'énergie hn pour former un nouveau photon d'énergie 2hn, et donc de fréquence 2n . De même, on peut imaginer de fusionner deux photons de fréquences n₁ et n₂ pour former un photon de fréquence n₁+ n₂ : c'est la somme de fréquences. L'interaction des faisceaux de fréquences n₁ et n₂ (où n₁ >n₂) peut également déclencher la fission des photons d'énergie hn₁ (appelés photons pompe) pour produire des photons supplémentaires à n₂, et créer également des photons dits complémentaires à la fréquence n₃= n₁- n₂ . On parle alors d'amplification paramétrique puisque le faisceau de fréquence n₂, appelé signal, est amplifié. Ce processus est également appelé différence de fréquences entre n₁ et n₂ (surtout quand les deux faisceaux sont d'intensité comparable). Le processus de fission de photons peut avoir lieu en l'absence de faisceau à fréquence n₂ ; on parle alors d'amplification paramétrique spontanée.

Les processus cités ci-dessus concernent surtout l'interaction avec des matériaux transparents. Quand la lumière interagit avec un milieu absorbant, elle induit le passage d'un électron d'un état de basse énergie, E₁, vers un état d'énergie supérieure, E₂. L'énergie des photons absorbés doit être égale à la différence d'énergie entre ces deux états d'énergie : hn=E₂-E₁. Cette énergie absorbée est ensuite réémise sous forme de lumière appelée fluorescence. Selon le matériau, une partie de l'énergie absorbée est transformée en vibrations. La lumière réémise est donc de plus faible fréquence (décalée vers la partie rouge du spectre).
Il est également possible d'absorber simultanément deux photons de fréquence n' pour induire le changement d'état de l'électron : 2hn'=E₂-E₁. Dans ce cas, la fréquence nécessaire est égale à la moitié de la fréquence nécessaire pour une absorption à un photon. La fluorescence émise est alors appelée fluorescence excitée par absorption à 2 photons.

Il est important de noter que tous ces processus d'optique non-linéaire sont également possibles avec des impulsions de durée plus longue mais qu'il est plus facile de les observer avec des impulsions femtosecondes puisque la probabilité de présence simultanée de deux photons y est plus grande.

Microscopie non-linéaire : applications en biologie et en médecine
Les effets non-linéaires décrits ci-dessus peuvent être utilisés en microscopie. Lorsqu'on focalise un laser dans un microscope conventionnel pour exciter un échantillon, la lumière émise provient de différentes profondeurs. Si, en revanche, on détecte la lumière émise due à un effet non-linéaire (doublage ou triplement de fréquence, fluorescence excitée par absorption à deux photons,…), celle-ci ne provient pratiquement que du point focal, l'endroit où le diamètre du faisceau laser est minimal et l'intensité maximale, puisque les effets non-linéaires nécessitent une très forte intensité.
On peut alors déplacer le point focal du laser femtoseconde pour faire point par point la cartographie tridimensionnelle de l'émission non-linéaire de tissus vivants. Cette émission non-linéaire peut provenir soit de molécules intrinsèquement présentes dans les tissus soit d'un marquage (molécules introduites expressément pour pouvoir visualiser le tissu).

Paroi artérielle d'un rat observée sans marquage (ex vivo) simultanément en microscopies de fluorescence excitée à deux photons (rouge : feuillets élastiques) et de génération de second harmonique (vert : fibres de collagène). (E. Beaurepaire, T. Boulesteix, A.-M. Pena, M.-P. Sauviat, M.-C. Schanne-Klein ; Laboratoire d'Optique et Biosciences, Palaiseau (CNRS-INSERM-Ecole Polytechnique))

Développement d'un embryon de Drosophile visualisé en 4D (3D+temps) par microscopie de fluorescence excitée par absorption à deux photons. Il s'agit d'un embryon modifié génétiquement pour produire une protéine fluorescente (GFP) se localisant dans les noyaux des cellules. La fluorescence de cette protéine permet alors de visualiser les noyaux des différentes cellules constituant l'embryon. (W. Supatto, D. Débarre, E. Farge, E. Beaurepaire ; collaboration Laboratoire d'Optique et Biosciences (CNRS-INSERM-Ecole Polytechnique) - Institut Curie)

Une autre variante de visualisation de tissus par effet non-linéaire utilise la lumière diffusée vers l'arrière (rétrodiffusée) et le fait que la structure interne des tissus se traduit par une variation de l'intensité de la lumière diffusée. Les impulsions diffusées à une profondeur plus grande du tissu mettent plus longtemps pour revenir au point de départ. A la sortie du tissu, on fait la somme de fréquences entre le faisceau rétrodiffusé et un faisceau de référence. Ainsi, le signal de somme de fréquence qui apparaît à différents instants correspond à la lumière rétrodiffusée à différentes profondeurs.

Un autre effet d'optique non-linéaire est la génération de continuum spectral, où un faisceau femtoseconde focalisé dans un milieu transparent, initialement centré à une longueur d'onde donnée (par exemple, dans le rouge à 800 nm), crée un faisceau blanc qui contient toutes les couleurs du spectre visible et s'étend même jusqu'au proche infrarouge. Même si l'origine de ce phénomène est très compliquée, on peut considérer en première approximation que ce continuum de fréquences provient de sommes et différences de fréquences successives entre les fréquences du faisceau initial.

Lorsque le laser femtoseconde est très intense, un continuum spectral peut être engendré dans l'air. La partie proche infrarouge de ce continuum peut alors être utilisée pour la détection d'aérosols (poussières en suspension dans l'air) ou de polluants dans l'atmosphère. Dans le cadre d'une collaboration franco-allemande, un laser femtoseconde mobile, le Téramobile, avec une très forte puissance (5 TW, c'est-à-dire 5 millions de millions de Watts, soit la puissance de 1000 centrales électriques... mais pendant très peu de temps) a été construit. Le déplacement de ce laser permet des mesures en différents lieux.

RUBRIQUES EN COURS DE REALISATION

Exemples de lasers femtosecondes
Lasers à colorant
Lasers à base de saphir dopé au Titane (Ti :Sa)

Comment mesurer la durée d'une impulsion femtoseconde ?

Amplification de lasers femtosecondes

Métrologie avec des lasers femtosecondes

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Page web réalisée à l'occasion de l'Année Mondiale de la Physique 2005 à partir d'images en provenance de différents laboratoires partenaires du Réseau des Technologies Femtoseconde