Cependant, des défis doivent encore être surmontés afin de faire progresser les performances d'ablation laser à l'échelle nanométrique et d'introduire l'accélération ionique pilotée par laser dans l'industrie et à des fins médicales.

Lors de l'interaction d'une impulsion laser ultracourte avec une cible solide, cette dernière évolue vers un état ionisé ou plasma sur une période de temps extrêmement courte (moins d'une picoseconde [ps]), où se déroulent de multiples processus physiques complexes et couplés, tandis que leur interaction n'est toujours pas entièrement comprise.

En raison de l’évolution ultrarapide de la cible, la phase initiale de l’interaction, c’est-à-dire la formation du plasma, est difficilement accessible expérimentalement. Par conséquent, cette transition ultrarapide du solide au plasma, qui définit les conditions initiales des processus ultérieurs comme l'ablation ou l'accélération des particules, a jusqu'à présent été traitée par des hypothèses approximatives dans la plupart des modèles numériques qui décrivent une telle interaction.

Dans un nouvel article publié dans Light :Science &Applications , une équipe internationale de scientifiques, comprenant Yasmina Azamoum et Malte C. Kaluza de l'Institut Helmholtz de Jena et de la Friedrich-Schiller-Universität Jena, Allemagne, Stefan Skupin de l'Institut Lumière Matière, France, Guillaume Duchateau du Commissariat à l'énergie atomique (CEA-Cesta), France et ses co-auteurs ont fait un pas en avant significatif dans l'élucidation de la transition ultrarapide du solide vers le plasma induite par laser et en fournissant une compréhension approfondie de l'interaction des processus fondamentaux.

Ils présentent une technique de sondage unique tout optique de pointe qui permet une visualisation complète de la dynamique de la cible, depuis un solide froid passant par l'étape d'ionisation jusqu'à un plasma trop dense. Ceci est réalisé grâce à l'utilisation d'une impulsion de sonde laser avec un spectre optique à large bande qui éclaire l'interaction de l'impulsion de pompe avec une feuille de carbone de type diamant d'une épaisseur nanométrique. Les différentes couleurs de l'impulsion de la sonde arrivent à différents moments de l'interaction en raison d'un gazouillis temporel.

Par conséquent, l’évolution de l’état cible codé dans la lumière de sonde transmise peut être capturée avec une seule impulsion de sonde. Une telle technique de sondage en un seul coup est avantageuse par rapport aux méthodes pompe-sonde classiques, dans lesquelles le processus sondé doit être reproduit à l'identique par la pompe pour chaque retard de la sonde. Ceci est particulièrement pertinent lors de l'utilisation de systèmes laser haute puissance, qui souffrent souvent de fortes fluctuations d'impulsion à impulsion.

En outre, les scientifiques ont démontré que pour l’interprétation correcte des profils de transmission des sondes mesurés, la description précise de la transition précoce solide-plasma est cruciale. Un modèle d'interaction en deux étapes a été développé, où la première étape prend en compte la dynamique d'ionisation de la cible à l'état solide, et la deuxième étape considère la cible à l'état plasma.

Une évolution détaillée de l'état cible avec des résolutions temporelles et spatiales élevées (sub-ps et nm, respectivement) est fournie, ainsi qu'un aperçu sans précédent de l'interaction de processus fondamentaux tels que la dynamique d'ionisation, les collisions de particules et l'expansion hydrodynamique du plasma.

Les résultats de cette nouvelle technique de sondage et leur interprétation devraient contribuer à une compréhension plus approfondie des diverses dynamiques des cibles et à une meilleure compréhension des processus physiques sous-jacents. Ces réalisations contribueront probablement à aller au-delà des méthodes traditionnelles de traitement laser ultrarapide des matériaux et à rendre les technologies ioniques accélérées par laser utilisables pour des applications sociétales.