Des impulsions de lumière laser extrêmement courtes d'une puissance maximale de 6 térawatts (6 000 milliards de watts), soit à peu près l'équivalent de la puissance produite par 6 000 centrales nucléaires, ont été réalisées par deux physiciens de RIKEN. Cette réalisation permettra de développer davantage les lasers attosecondes, pour lesquels trois chercheurs ont reçu le prix Nobel de physique en 2023. Les travaux sont publiés dans la revue Nature Photonics. .
De la même manière qu'un flash d'appareil photo peut « geler » des objets en mouvement rapide, les faisant apparaître comme s'ils étaient immobiles sur les photos, des impulsions laser extrêmement courtes peuvent aider à éclairer des processus ultra-rapides, offrant ainsi aux scientifiques un moyen puissant de les imager et de les sonder. .
Par exemple, des impulsions laser de l'ordre de l'attoseconde (une attoseconde =10 –18 deuxièmement) sont si courts qu’ils peuvent révéler le mouvement des électrons dans les atomes et les molécules, offrant ainsi une nouvelle façon de découvrir comment évoluent les réactions chimiques et biochimiques. Même la lumière semble ramper à des échelles de temps si courtes, prenant environ 3 attosecondes pour parcourir un seul nanomètre.
"En permettant de capturer le mouvement des électrons, les lasers attosecondes ont apporté une contribution majeure à la science fondamentale", explique Eiji Takahashi du RIKEN Center for Advanced Photonics (RAP). "Ils devraient être utilisés dans un large éventail de domaines, notamment l'observation de cellules biologiques, le développement de nouveaux matériaux et le diagnostic de problèmes médicaux."
Mais s’il est possible de créer des impulsions laser ultracourtes, elles manquent de punch et ont de faibles énergies. La création d’impulsions laser à la fois ultracourtes et dotées de hautes énergies élargirait considérablement leurs utilisations possibles. "L'énergie de sortie actuelle des lasers attosecondes est extrêmement faible", explique Takahashi. "Il est donc vital d'augmenter leur énergie de sortie si l'on veut les utiliser comme sources lumineuses dans un large éventail de domaines."
Tout comme les amplificateurs audio sont utilisés pour amplifier les signaux sonores, les physiciens du laser utilisent des amplificateurs optiques pour augmenter l'énergie des impulsions laser. Ces amplificateurs utilisent généralement des cristaux non linéaires qui présentent des réponses spéciales à la lumière. Mais ces cristaux peuvent être irrémédiablement endommagés s'ils sont utilisés pour amplifier les impulsions laser à cycle unique, qui sont si courtes que l'impulsion se termine avant que la lumière puisse osciller sur un cycle de longueur d'onde complet.
"Le plus gros goulot d'étranglement dans le développement de sources laser infrarouges énergétiques et ultrarapides a été l'absence d'une méthode efficace pour amplifier directement les impulsions laser à cycle unique", explique Takahashi. "Ce goulot d'étranglement a entraîné la création d'une barrière d'un millijoule pour l'énergie des impulsions laser à cycle unique."
Aujourd’hui, Takahashi et son collègue du RAP, Lu Xu, n’ont pas seulement dépassé cette barrière, ils l’ont franchie. Ils ont amplifié les impulsions à cycle unique au-delà de 50 millijoules, soit plus de 50 fois le meilleur effort précédent. Parce que les impulsions laser résultantes sont si courtes, cette énergie se traduit par des puissances incroyablement élevées de plusieurs térawatts.
"Nous avons démontré comment surmonter le goulot d'étranglement en établissant une méthode efficace pour amplifier une impulsion laser à cycle unique", explique Takahashi.
Leur méthode, appelée amplification paramétrique optique avancée à double chirped (DC-OPA), est étonnamment simple, impliquant seulement deux cristaux, qui amplifient des régions complémentaires du spectre.
"Le DC-OPA avancé pour amplifier une impulsion laser à cycle unique est très simple, car il repose uniquement sur une combinaison de deux types de cristaux non linéaires. Cela ressemble à une idée que n'importe qui aurait pu avoir", explique Takahashi. "J'ai été surpris qu'un concept aussi simple fournisse une nouvelle technologie d'amplification et provoque une percée dans le développement de lasers ultrarapides à haute énergie."
Il est important de noter que le DC-OPA avancé fonctionne sur une très large gamme de longueurs d’onde. Takahashi et Xu ont pu amplifier des impulsions dont les longueurs d'onde différaient de plus d'un facteur deux. "Cette nouvelle méthode présente la caractéristique révolutionnaire que la bande passante d'amplification peut être ultra-large sans compromettre les caractéristiques de mise à l'échelle de l'énergie de sortie", explique Takahashi.
Leur technique est une variante d'une autre technique d'amplification des impulsions optiques, appelée « amplification par impulsions chirpées », pour laquelle trois chercheurs des États-Unis, de France et du Canada ont reçu le prix Nobel de physique en 2018. Il existe un lien intéressant entre l'édition 2018 et le prix Nobel de physique. et 2023 dans la mesure où l'amplification d'impulsions gazouillées était l'une des techniques qui ont permis le développement de lasers attosecondes.
Takahashi prévoit que leur technique fera progresser le développement des lasers attosecondes. "Nous avons réussi à développer une nouvelle méthode d'amplification laser capable d'augmenter l'intensité des impulsions laser à cycle unique jusqu'à une puissance maximale de l'ordre du térawatt", explique-t-il. "C'est sans aucun doute un grand pas en avant dans le développement des lasers attosecondes de haute puissance."
À plus long terme, il a pour objectif d'aller au-delà des lasers attosecondes et de créer des impulsions encore plus courtes.
"En combinant des lasers à cycle unique avec des effets optiques non linéaires d'ordre supérieur, il pourrait bien être possible de générer des impulsions de lumière avec une durée de zeptosecondes (une zeptoseconde =10 –21 deuxième)", dit-il. "Mon objectif à long terme est de frapper à la porte de la recherche sur les lasers zeptosecondes et d'ouvrir la voie à la prochaine génération de lasers ultracourts après les lasers attosecondes."
Plus d'informations : Lu Xu et al, Amplification paramétrique optique à double fréquence d'impulsions laser à cycle unique de haute énergie, Nature Photonics (2023). DOI :10.1038/s41566-023-01331-9
Informations sur le journal : Photonique naturelle
Fourni par RIKEN
