Une impulsion optique laser (bleue) entre par la gauche dans la fibre creuse remplie d'azote gazeux (molécules rouges) et, le long de la propagation, connaît un élargissement spectral vers de plus grandes longueurs d'onde, représenté comme un faisceau de sortie orange (à droite). Ce phénomène non linéaire est causé par l'effet Raman associé aux rotations des molécules de gaz sous le champ laser, comme illustré schématiquement dans le panneau inférieur. Crédit :Riccardo Piccoli (INRS)
Des chercheurs de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) ont découvert un moyen rentable d'accorder le spectre d'un laser à l'infrarouge, une bande de grand intérêt pour de nombreuses applications laser. Ils ont collaboré avec des équipes de recherche autrichiennes et russes pour développer cette innovation, qui fait maintenant l'objet d'une demande de brevet. Les résultats de leurs travaux ont été récemment publiés dans Optique , le journal phare de l'Optical Society (OSA).
Dans ce domaine d'études, de nombreuses applications laser ont un avantage décisif si la longueur d'onde laser est localisée et éventuellement accordable dans le domaine infrarouge. Cependant, ce n'est encore guère le cas avec les technologies laser ultrarapides actuelles, et les scientifiques doivent explorer divers processus non linéaires pour décaler la longueur d'onde d'émission. En particulier, l'amplificateur paramétrique optique (OPA) a jusqu'à présent été le seul outil bien établi pour atteindre cette fenêtre infrarouge. Bien que les systèmes OPA offrent une large gamme d'accordabilité, ils sont complexes, souvent composé de plusieurs étages, et assez cher.
L'équipe du Professeur Luca Razzari, en collaboration avec le professeur Roberto Morandotti, a démontré qu'une accordabilité à grande longueur d'onde peut également être obtenue avec un système simple et beaucoup moins coûteux :une fibre à âme creuse (capillaire) remplie d'azote. En outre, cette approche délivre facilement des impulsions optiques plus courtes que celles du laser d'entrée et avec une qualité spatiale élevée. Les chercheurs ont également bénéficié de l'expertise de l'INRS dans ce domaine, puisque le système spécial pour étirer et maintenir de telles fibres est commercialisé par la startup peu-cycle.
Élargissement spectral asymétrique
D'habitude, les fibres à âme creuse sont remplies d'un gaz monoatomique tel que l'argon afin d'élargir symétriquement le spectre du laser puis de le recomprimer en une impulsion optique beaucoup plus courte. L'équipe de recherche a découvert qu'en utilisant un gaz moléculaire comme l'azote, l'élargissement spectral était encore possible, mais d'une manière inattendue.
"Plutôt que de s'étendre symétriquement, le spectre s'est déplacé de manière impressionnante vers des longueurs d'onde infrarouges moins énergétiques. Ce décalage de fréquence est le résultat de la réponse non linéaire associée à la rotation des molécules de gaz et, En tant que tel, il peut être facilement contrôlé en faisant varier la pression du gaz (c'est-à-dire, le nombre de molécules) dans la fibre, " explique le Dr Riccardo Piccoli, qui a dirigé les expériences dans l'équipe de Razzari.
Une fois le faisceau élargi vers l'infrarouge, les chercheurs filtrent le spectre de sortie pour ne garder que la bande d'intérêt. Avec cette approche, l'énergie est transférée dans le domaine spectral proche infrarouge (avec un rendement comparable à celui des OPA) en une impulsion trois fois plus courte que l'entrée, sans appareil complexe ni système de post-compression d'impulsions supplémentaire.
Une collaboration internationale
Pour compléter la recherche, les scientifiques de l'INRS se sont joints à des collègues autrichiens et russes. « Nous avons mis en commun nos expertises après avoir découvert lors d'une conférence à quel point les phénomènes observés par nos deux groupes étaient similaires, " dit Razzari.
L'équipe de chercheurs basée à Vienne dirigée par le professeur Andrius Baltuska et le Dr Paolo A. Carpeggiani avait une stratégie complémentaire à celle de l'INRS. Ils ont également utilisé une fibre à âme creuse remplie d'azote, mais plutôt que de filtrer le spectre, ils l'ont comprimé dans le temps avec des miroirs capables d'ajuster la phase de l'impulsion élargie. "Dans ce cas, le décalage global dans l'infrarouge était moins extrême, mais le pouls final était beaucoup plus court et plus intense, parfaitement adapté à la physique attoseconde et des champs forts, " dit le Dr Carpeggiani.
L'équipe basée à Moscou, dirigé par le professeur Alexei Zheltikov, se sont concentrés sur le développement d'un modèle théorique pour expliquer ces phénomènes optiques. En combinant ces trois approches, les chercheurs ont pu comprendre pleinement la dynamique sous-jacente complexe et réaliser non seulement le décalage vers le rouge extrême en utilisant l'azote, mais aussi une compression efficace des impulsions dans la gamme infrarouge.
L'équipe internationale pense que la méthode pourrait très bien répondre à la demande croissante de sources ultrarapides à grande longueur d'onde dans les applications laser et à champ fort, à commencer par des systèmes accordables de qualité industrielle moins coûteux basés sur la technologie émergente du laser à l'ytterbium.
