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Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde :

Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde : des Plasmas au Redressement Optique dans les cristaux. Ciro D’Amico 1 , A. Houard 2 , B. Prade 2 , V. T. Tikhonchuk 3 , A. Mysyrowicz 2 , E. Freysz 1

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Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde :

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Presentation Transcript

  1. Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde: des Plasmas au Redressement Optique dans les cristaux Ciro D’Amico1, A. Houard2, B. Prade2, V. T. Tikhonchuk3, A. Mysyrowicz2, E. Freysz1 1Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne, Université de Bordeaux 1, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France. 2Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS UMR 7639, Palaiseau, 91761 France 3Centre Lasers Intenses et Applications, Université de Bordeaux 1, CEA, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France.

  2. PLAN • Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter • Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts • Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs • Impulsions THz produites par interaction laser-plasma • Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires • Technique de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz • Applications • Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

  3. La région du spectre électromagnétique dite THz Rayons-γ MW THz Ondes Radio IR UV Rayons-X photonique électronique ‘Gap’ 10cm 1mm 10µm 100nm 1nm 1011 Hz 1013 Hz C. D’Amico, JPU 2009

  4. La région du spectre électromagnétique dite THz Rayons-γ MW THz Ondes Radio IR UV Rayons-X photonique électronique ‘Gap’ 10cm 1mm 10µm 100nm 1nm Sources THz pulsées générées par des impulsions laser ultracourtes 1011 Hz 1013 Hz • Génération de couples électron-trou • Effets non linéaires du 2ème ordre • Effets non linéaires du 3ème ordre • Photo-ionisation et effets ponderomoteurs C. D’Amico, JPU 2009

  5. Méthode de mesure du champ électrique transitoire THz La méthode Electro-Optique ZnTe (→ 4 THz) Sonde optique GaP (→ 11 THz) Cristal EO (χ(2) ≠ 0 ) … THz λ/4 WP - ε PD1 PD2 + ε I I - Détection Synchrone C. D’Amico, JPU 2009

  6. PLAN • Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter • Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts • Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs • Impulsions THz produites par interaction laser-plasma • Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires • Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz • Applications • Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

  7. Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs THz Densité de porteurs de charge Champ THz transitoire C. D’Amico, JPU 2009

  8. Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs THz Densité de porteurs de charge Champ THz transitoire Champ THz (champ lontain) pour différentes durées de vie des porteurs de charge Δt = 100 fs K. Reinman, ‘Table-top sources of ultrashortTHz pulses’, Rep. Prog. Phys. 70, 1597 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

  9. PLAN • Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter • Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts • Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs • Impulsions THz produites par interaction laser-plasma • Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires • Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz • Applications • Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

  10. Sources THz par filamentation C. D’Amico, JPU 2009

  11. Sources THz par filamentation C. D’Amico, JPU 2009

  12. Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

  13. Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

  14. Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

  15. Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

  16. Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

  17. Sources THz par filamentation C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

  18. Sources THz par filamentation (sources de plasma) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov Transition-Cherenkov, efficacité ≈ 10-9 C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 ( 2007) - + C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, 013015 ( 2008) C. D’Amico, JPU 2009

  19. Sources THz par filamentation (sources de plasma) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov Transition-Cherenkov, efficacité ≈ 10-9 C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 ( 2007) - + C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, 013015 ( 2008) Transition-Cherenkov + champ électrique transversale efficacité ≈ 10-8 - 10-7 - + - A. Houardet al., Phys. Rev. Lett. 100, 255006 ( 2008) + - + Transition-Cherenkov + champ électrique longitudinale efficacité ≈ 10-6 (@ 10 kV) - + Yi Liu et al., Appl. Phys. Lett. 93, 051108 ( 2008) C. D’Amico, JPU 2009

  20. Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

  21. Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

  22. Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

  23. PLAN • Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter • Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts • Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs • Impulsions THz produites par interaction laser-plasma • Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires • Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz • Applications • Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

  24. Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) Cristal C. D’Amico, JPU 2009

  25. Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz= ng,IR Cristal C. D’Amico, JPU 2009

  26. Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz= ng,IR Cristal (n φ,THz≈ ng,IR ) Cristal:ZnTe C. D’Amico, JPU 2009

  27. Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz= ng,IR Cristal (n φ,THz≈ ng,IR ) Cristal:ZnTe (n φ,THz≈ 2ng,IR ) Cristal: LiNbO3 Inclinaisondufront d’onde: α = atan(n φ,THz/ng,IR) ≈ 63° C. D’Amico, JPU 2009

  28. Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) Accord de phase Vφ,THz= Vg,IR → n φ,THz= ng,IR Cristal (n φ,THz≈ ng,IR ) Cristal:ZnTe (n φ,THz≈ 2ng,IR ) Cristal: LiNbO3 Inclinaisondufront d’onde: α = atan(n φ,THz/ng,IR) ≈ 63° C. D’Amico, JPU 2009

  29. Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3 C. D’Amico, JPU 2009

  30. Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3 Etude théorique: L. Palfalviet al., Appl. Phys. Lett. 92, 171107 (2008) Taux de conversion ≈ 7∙10-4 Taux de conversion ≈ 10-2 1 photon (800 nm) → 3.7 photons (1 THz) ! C. D’Amico, JPU 2009

  31. Redressement optique dans les cristaux non linéaires Taux de conversion 10-5 Taux de conversion 10-3-10-2 C. D’Amico, JPU 2009

  32. PLAN • Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter • Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts • Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs • Impulsions THz produites par interaction laser-plasma • Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires • Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz • Applications • Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

  33. Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Impulsion THz Δt, N cristal J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) C. D’Amico, JPU 2009

  34. Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Impulsion THz Δt, N cristal J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Une technique récente (CPMOH) Δr, N Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009) C. D’Amico, JPU 2009

  35. Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Impulsion THz Δt, N cristal J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Une technique récente (CPMOH) Propagateur de Fresnel Δr, N Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides Couplage spatio-temporel en champ intermédiaire C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009) C. D’Amico, JPU 2009

  36. Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Z = 4 cm R = 4 mm R1 = 2 mm R2 = 4 mm C. D’Amico, JPU 2009

  37. Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz La source se comporte comme une lentille de Fresnel Théorie Expérience C. D’Amico, JPU 2009

  38. PLAN • Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter • Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts • Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs • Impulsions THz produites par interaction laser-plasma • Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires • Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz • Applications • Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

  39. Applications Rayons-γ MW THz Ondes Radio IR UV Rayons-X 10cm 1mm 10µm 100nm 1nm C. D’Amico, JPU 2009

  40. Applications Rayons-γ MW THz Ondes Radio IR UV Rayons-X 10cm 1mm 10µm 100nm 1nm le cristalβ-BaB2O4 (BBO) Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008) C. D’Amico, JPU 2009

  41. Applications Rayons-γ MW THz Ondes Radio IR UV Rayons-X 10cm 1mm 10µm 100nm 1nm le cristalβ-BaB2O4 (BBO) Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz Originalité par rapport à la Spectroscopie dans le domaine optique Détection en temps réel de l’évolution du champ électrique THz(accès direct à l’amplitude et à la phase des impulsions) J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008) On peut extraire plus d’information que dans le cas optique! C. D’Amico, JPU 2009

  42. CONCLUSIONS • 4 techniques pour la génération d’impulsions THz par lasers ultracourts • Les antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs • Plasma: filamentationfemtoseconde • Plasma: Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) • Le redressement optique: ZnTe, LiNbO3 (champ THz intense) • Technique de mise en forme spectrale e spatiale dans le redressement optique • Mise en forme spatiale du faisceau de pompe (à l’aide d’un masque de phase CL) • Control du couplage Spatio-temporel en champ intermédiaire • Application à l’optique THz non linéaire C. D’Amico, JPU 2009

  43. Merci

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