Des physiciens du Laboratoire de physique attoseconde de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich et de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) ont développé un nouveau type de détecteur qui permet de déterminer avec précision le profil d'oscillation des ondes lumineuses.

La lumière est difficile à saisir. Les ondes lumineuses se propagent à une vitesse de près de 300, 000 km par seconde, et le front d'onde oscille plusieurs centaines de milliards de fois dans ce même intervalle. Dans le cas de la lumière visible, la distance physique entre les pics successifs de l'onde lumineuse est inférieure à 1 micromètre, et les pics sont séparés dans le temps de moins de 3 millionièmes de milliardième de seconde ( <3 femtosecondes). Pour travailler avec la lumière, il faut le contrôler — et cela demande une connaissance précise de son comportement. Il peut même être nécessaire de connaître la position exacte des crêtes ou des creux de l'onde lumineuse à un instant donné. Des chercheurs basés au Laboratoire de physique attoseconde (LAP) du LMU Munich et à l'Institut Max Planck d'optique quantique sont désormais en mesure de mesurer l'emplacement exact de ces pics dans des impulsions ultracourtes uniques de lumière infrarouge à l'aide d'un détecteur.

De telles impulsions, qui n'englobent que quelques oscillations de l'onde, peut être utilisé pour étudier le comportement des molécules et de leurs atomes constitutifs, et le nouveau détecteur est un outil très précieux dans ce contexte. Les impulsions laser ultracourtes permettent aux scientifiques d'étudier des processus dynamiques à des niveaux moléculaires et même subatomiques. En utilisant des trains de ces impulsions, il est possible d'exciter d'abord les particules cibles puis de filmer leurs réponses en temps réel. Dans les champs lumineux intenses, cependant, il est crucial de connaître la forme d'onde précise des impulsions. Étant donné que le pic du champ lumineux oscillant (porteur) et celui de l'enveloppe d'impulsion peuvent se déplacer l'un par rapport à l'autre entre différentes impulsions laser, il est important de connaître la forme d'onde précise de chaque impulsion.

L'équipe de LAP, qui était dirigée par le Dr Boris Bergues et le Professeur Matthias Kling, responsable du groupe Imagerie ultrarapide et nanophotonique, a maintenant fait une percée décisive dans la caractérisation des ondes lumineuses. Leur nouveau détecteur leur permet de déterminer la « phase, " c'est-à-dire les positions précises des pics des quelques cycles d'oscillation au sein de chaque impulsion, à des taux de répétition de 10, 000 impulsions par seconde. Faire cela, le groupe génère des impulsions laser à polarisation circulaire dans lesquelles l'orientation du champ optique se propageant tourne comme une aiguille d'horloge, puis focalisé l'impulsion rotative dans l'air ambiant.

L'interaction entre l'impulsion et les molécules dans l'air se traduit par une courte rafale de courant électrique, dont la direction dépend de la position du pic de l'onde lumineuse. En analysant la direction exacte de l'impulsion de courant, les chercheurs ont pu récupérer la phase du « décalage porteur-enveloppe, " et reconstruire ainsi la forme de l'onde lumineuse. Contrairement à la méthode classiquement employée pour la détermination de phase, qui nécessite l'utilisation d'un appareil à vide complexe, la nouvelle technique fonctionne à l'air ambiant et les mesures nécessitent très peu de composants supplémentaires. "La simplicité de la configuration est susceptible de garantir qu'il deviendra un outil standard dans la technologie laser, " explique Matthias Kling.

"Nous pensons que cette technique peut également être appliquée aux lasers avec des taux de répétition beaucoup plus élevés et dans différentes régions spectrales, " précise Boris Bergues. " Notre méthodologie est particulièrement intéressante dans le cadre de la caractérisation d'impulsions laser extrêmement courtes avec des taux de répétition élevés, tels que ceux générés par l'Extreme Light Infrastructure (ELI) d'Europe, " ajoute le professeur Matthias Kling. Appliqué aux dernières sources d'impulsions laser ultracourtes, cette nouvelle méthode d'analyse des formes d'onde pourrait ouvrir la voie à des ruptures technologiques, ainsi que de permettre de nouvelles connaissances sur le comportement des particules élémentaires « sur la voie rapide ».