Jusqu'à maintenant, un équipement expérimental complexe était nécessaire pour mesurer la forme d'une impulsion lumineuse. Une équipe de la TU Wien (Vienne), MPI Garching et LMU Munich ont maintenant rendu cela beaucoup plus facile.

Aujourd'hui, les lasers modernes peuvent générer des impulsions lumineuses extrêmement courtes, qui peut être utilisé pour un large éventail d'applications, de l'étude des matériaux aux diagnostics médicaux. Dans ce but, il est important de mesurer la forme de l'onde lumineuse laser avec une grande précision. Jusqu'à maintenant, cela a nécessité une grande, montage expérimental complexe. Maintenant, cela peut être fait avec un petit cristal d'un diamètre inférieur à un millimètre. La nouvelle méthode a été développée par le MPI pour l'optique quantique à Garching, le LMU Munich et le TU Wien (Vienne). L'avancée va maintenant aider à clarifier des détails importants sur l'interaction de la lumière et de la matière.

Regarder la lumière avec des électrons

Des impulsions lumineuses extrêmement courtes d'une durée de l'ordre de quelques femtosecondes (10-15 secondes) ont été étudiées. "Afin de créer une image de telles ondes lumineuses, ils doivent être amenés à interagir avec les électrons, " explique le professeur Joachim Burgdörfer de l'Institut de physique théorique de la TU Wien. " La réaction des électrons au champ électrique du laser nous donne des informations très précises sur la forme de l'impulsion lumineuse. "

Précédemment, la façon courante de mesurer une impulsion laser infrarouge consistait à ajouter une impulsion laser beaucoup plus courte avec une longueur d'onde dans la gamme des rayons X. Les deux impulsions sont envoyées à travers un gaz. L'impulsion de rayons X ionise les atomes individuels, des électrons sont libérés, qui sont ensuite accélérés par le champ électrique de l'impulsion laser infrarouge. Le mouvement des électrons est enregistré, et si l'expérience est réalisée plusieurs fois avec des décalages temporels différents entre les deux impulsions, la forme de l'impulsion laser infrarouge peut éventuellement être reconstruite. "L'effort expérimental requis pour cette méthode est très élevé, " explique le professeur Christoph Lemell (TU Vienne). " Un montage expérimental compliqué est nécessaire, avec des systèmes de vide, de nombreux éléments optiques et détecteurs."

Mesure dans de minuscules cristaux d'oxyde de silicium

Pour contourner de telles complications, l'idée est née de mesurer les impulsions lumineuses non pas dans un gaz mais dans un solide :« Dans un gaz, il faut d'abord ioniser les atomes pour obtenir des électrons libres. Dans un solide, il suffit de donner aux électrons suffisamment d'énergie pour qu'ils puissent se déplacer à travers le solide, entraîné par le champ laser, " dit Isabella Floss (TU Vienne). Cela génère un courant électrique qui peut être mesuré directement.

De minuscules cristaux d'oxyde de silicium d'un diamètre de quelques centaines de micromètres sont utilisés à cette fin. Ils sont frappés par deux impulsions laser différentes :L'impulsion à étudier peut avoir n'importe quelle longueur d'onde allant de la lumière ultraviolette et des couleurs visibles à l'infrarouge à ondes longues. Pendant que cette impulsion laser pénètre dans le cristal, une autre impulsion infrarouge est tirée sur la cible. "Cette deuxième impulsion est si forte que des effets non linéaires dans le matériau peuvent modifier l'état énergétique des électrons afin qu'ils deviennent mobiles. Cela se produit à un moment très précis, qui peut être réglé et contrôlé très précisément, " explique Joachim Burgdörfer.

Dès que les électrons peuvent se déplacer à travers le cristal, ils sont accélérés par le champ électrique du premier faisceau. Cela produit un courant électrique qui est mesuré directement sur le cristal. Ce signal contient des informations précises sur la forme de l'impulsion lumineuse.

De nombreuses applications possibles

A la TU Vienne, l'effet a été étudié théoriquement et analysé dans des simulations informatiques. L'expérience a été réalisée à l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching. "Grâce à l'étroite coopération entre la théorie et l'expérimentation, nous avons pu montrer que la nouvelle méthode fonctionne très bien, sur une large gamme de fréquences, de l'ultraviolet à l'infrarouge, " explique Christoph Lemell. " La forme d'onde des impulsions lumineuses peut maintenant être mesurée beaucoup plus facilement qu'auparavant, à l'aide d'une configuration beaucoup plus simple et compacte."

La nouvelle méthode ouvre de nombreuses applications intéressantes :il devrait être possible de caractériser avec précision de nouveaux matériaux, répondre à des questions physiques fondamentales sur l'interaction de la lumière et de la matière, et même d'analyser des molécules complexes - par exemple, pour détecter de manière fiable et rapide les maladies en examinant de minuscules échantillons de sang.