La science attoseconde a révolutionné la façon dont nous examinons l'évolution temporelle du monde microscopique, où le comportement de la matière est régi par les règles de la mécanique quantique. La rupture technologique qui a rendu possible le développement du champ repose sur la génération d'impulsions laser ultra-courtes qui ne durent que quelques oscillations du champ électrique. Ces courtes impulsions ont une intensité focalisée où le champ électrique est comparable à celui que les électrons subissent à l'intérieur des atomes et des molécules. Il est possible de contrôler à la fois la forme temporelle exacte et la forme d'onde de ces impulsions ultra-courtes. Alors que des impulsions laser ultra-courtes ont été utilisées dans quelques laboratoires dans le monde pour étudier la dynamique induite par la lumière dans les atomes et les molécules, de nombreuses questions restent sans réponse, en raison des faibles débits de données et du faible SNR intrinsèquement réalisable avec les systèmes laser de pointe actuels.

A l'Institut Max Born, un système laser puissant est maintenant terminé, capable de reproduire les paramètres des systèmes laser généralement utilisés dans les expériences scientifiques attosecondes, mais avec un taux de répétition des impulsions 100 fois plus élevé. Ce nouveau système laser permet une toute nouvelle classe d'expériences dans des systèmes atomiques simples et de petits systèmes moléculaires, ainsi que des études de haute fidélité sur des molécules plus complexes.

Au cours des 15 à 20 dernières années, la disponibilité d'impulsions lumineuses dans la région extrême ultraviolet (XUV) du spectre électromagnétique, avec des durées de l'ordre de la centaine d'attosecondes (1 comme =10 ^-18 s) a permis l'émergence du domaine de la science attoseconde. En utilisant ces impulsions extrêmement courtes, les scientifiques ont acquis une connaissance sans précédent de l'évolution temporelle des électrons dans les atomes, molécules et solides, en tirant parti de la technique pompe-sonde :Le système à l'étude est excité par une impulsion laser "pompe" et après un certain temps, une seconde impulsion "sonde" interroge le système (par exemple par ionisation). La dynamique induite par l'impulsion de pompe peut être récupérée en répétant l'expérience à différents temps de retard. En utilisant la technique pompe-sonde, un certain nombre de résultats impressionnants ont été obtenus au cours des dernières années sur des sujets tels que la migration de charge induite par la lumière, corrélations multi-électrons, et le couplage entre les degrés de liberté électroniques et nucléaires. Typiquement, les distributions de vitesse des ions ou des électrons générés pendant la séquence pompe-sonde sont déterminées expérimentalement ou le spectre d'absorption transitoire de l'impulsion XUV en fonction du retard pompe-sonde est détecté. Souvent, les processus induits par la lumière sont complexes et la mesure d'un seul observable n'est pas suffisante pour bien comprendre les résultats expérimentaux. Il y a déjà plusieurs années, grâce au développement du "microscope à réaction", " une grande amélioration a été réalisée. Cet appareil permet une mesure de la distribution de vitesse tridimensionnelle de tous les électrons et ions créés dans le processus pompe-sonde L'inconvénient de cette technique est que des taux de signal très faibles sont nécessaires, c'est-à-dire que seulement 10 à 20 % de tous les tirs laser devraient induire la formation d'une paire électron-ion. Cela conduit à des temps de mesure très longs en utilisant les systèmes laser de pointe actuels.

Des impulsions dans le XUV d'une durée attoseconde sont produites lorsqu'une forte impulsion laser dans le VIS-NIR interagit avec un gaz d'atomes dans un processus appelé génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG). Pour qu'une seule impulsion XUV d'une durée attoseconde se forme pendant le processus HHG, les impulsions laser interagissant avec le gaz ne doivent durer que quelques oscillations du champ électromagnétique, ce qui signifie généralement moins de 10 fs (1 fs =10 ^-15 s), et la forme temporelle exacte de l'impulsion doit être contrôlée. La manière la plus répandue de produire de telles impulsions laser consiste à amplifier des impulsions courtes avec une forme d'onde contrôlée (contrôlée par phase porteuse-enveloppe ou CEP) dans un amplificateur laser Ti:Sapphire et à raccourcir la durée des impulsions via une compression d'impulsion non linéaire. , en utilisant par ex. un capillaire à âme creuse rempli de gaz. Cependant, le taux de répétition des impulsions de ces systèmes est typiquement limité à quelques kHz, et une fréquence maximale rapportée de 10 kHz, en raison des effets thermiques néfastes intrinsèques aux amplificateurs laser.

Maintenant, chercheurs de l'institut Max Born en Allemagne, en collaboration avec des collègues du Norwegian Defence Research Establishment, ont conçu et construit un système laser capable de fonctionner à des taux de répétition d'impulsions beaucoup plus élevés que les amplificateurs Ti:Sapphire typiques. Le système nouvellement développé est parfaitement adapté à la réalisation d'expériences pompe-sonde en science attoseconde mettant en œuvre la détection de coïncidence électron-ion dans un microscope à réaction.

Le système est basé sur un amplificateur paramétrique optique non colinéaire (NOPA). Dans un amplificateur paramétrique, l'énergie d'une forte impulsion de pompe est transférée à une impulsion de signal faible dans une interaction non linéaire instantanée dans un cristal. Le gain et la bande passante du procédé sont déterminés par des conditions d'accord de phase, C'est, en veillant à ce que tous les photons à la fréquence du signal soient émis en phase et s'additionnent de manière cohérente au fur et à mesure que l'impulsion du signal se propage dans le cristal. Lorsque la pompe et les impulsions de germe pénètrent dans le cristal sous un petit angle (géométrie non colinéaire), la bande passante du procédé est maximisée et il est possible d'amplifier des impulsions ultracourtes ne durant que quelques cycles. De plus, puisque le processus est instantané et qu'il n'y a pas d'absorption de lumière dans le cristal, il n'y a pas d'accumulation de chaleur et les problèmes thermiques sont presque négligeables. Par conséquent, Les amplificateurs NOPA sont bien adaptés aux taux de répétition élevés.

Dans le système laser présenté dans un article récemment publié dans Lettres d'optique , les chercheurs ont amplifié des impulsions ultracourtes stables au CEP à partir d'un oscillateur laser Ti:Sapphire dans un amplificateur NOPA pompé par un laser à disque mince Yb:YAG commercial à taux de répétition élevé. Dans l'amplificateur paramétrique, une grande fraction (environ 20 %) de l'énergie des impulsions du système Yb:YAG est efficacement transférée aux impulsions ultracourtes stables au CEP de l'oscillateur laser Ti:Sapphire. Le système NOPA est ainsi capable de délivrer des impulsions de 0,24 mJ d'énergie à une fréquence de répétition de 100 kHz, résultant en une puissance moyenne de 24 W à une longueur d'onde centrale approximative de 800 nm. Après compression, filtrage de la seconde harmonique parasite et un atténuateur variable à large bande pour contrôler la puissance incidente dans les expériences, Des impulsions stables au CEP avec 0,19 mJ (19 W) et une durée de 7 fs (c'est-à-dire 2,6 cycles) sont disponibles pour les expériences. Le système sera utilisé pour HHG et la production d'impulsions attosecondes isolées, et constituera la base d'une ligne de lumière pompe-sonde attoseconde dotée de capacités de détection de coïncidence.