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Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples.

Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples. Antoine Monmayrant Thèse effectuée sous la direction de Béatrice Chatel Equipe FEMTO (Bertrand Girard) Université Paul Sabatier Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité 27 juin 2005. Le cadre:.

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Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples.

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  1. Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes.Contrôle cohérent de systèmes simples. Antoine Monmayrant Thèse effectuée sous la direction de Béatrice Chatel Equipe FEMTO (Bertrand Girard) Université Paul Sabatier Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité 27 juin 2005

  2. Le cadre: contrôle cohérent... Le cadre: Contrôle Cohérent: Contrôle de la matière par son interaction avec une lumière cohérente contrôlée.

  3. Le cadre: contrôle cohérent... ABC A+BC ABC AB+C Contrôle cohérent: les débuts Séquence d’impulsions Interférences de chemins quantiques Contrôle rudimentaire: Peu de paramètres de contrôle (1 voire 2). Dispositif complexe et spécifique. Limité aux systèmes simples dont la physique est connue. Comment contrôler des systèmes complexes ?

  4. Le cadre: contrôle cohérent... Algorithme d’évolution Mesure Optimiser le signal mesuré Forme Système complexe Façonneur Contrôle de systèmes complexes Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée Théorie Expérience Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992 Rabitz, et al. Science, 259, 1993 Gerber, et al.Science, 282, 1998 Gerber, et al., CP, 267, (1-3), 2001 Pour contrôler des systèmes complexes: Beaucoup de paramètres de contrôle (~500). Mise en forme PROGRAMMABLE. Algorithme d’optimisation.

  5. Le cadre: contrôle cohérent... Algorithme d’évolution Mesure Optimiser le signal mesuré Forme Système complexe Façonneur Contrôle de systèmes complexes Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée Théorie Expérience Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992 Rabitz, et al. Science, 259, 1993 Gerber, et al.Science, 282, 1998 Gerber, et al., CP, 267, (1-3), 2001 Pour contrôler des systèmes complexes: Beaucoup de paramètres de contrôle (~500). Mise en forme PROGRAMMABLE. Algorithme d’optimisation. Façonneur

  6. Le cadre: contrôle cohérent... Algorithme d’évolution Mesure Optimiser le signal mesuré Forme Système complexe Façonneur Nombreux résultats: Agrégats Molécules biologiques Champ fort … Wöste, et al., CP, 267, 2001 Motzkus, et al. Nature, 417, 2002 Rabitz, et al. Science, 292, 2001 Contrôle de systèmes complexes Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée Théorie Expérience Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992 Rabitz, et al. Science, 259, 1993 Gerber, et al.Science, 282, 1998 Gerber, et al., CP, 267, (1-3), 2001

  7. Le cadre: contrôle cohérent... Montrer un nouvel effet? Théorie Forme Mesure Système Simple Façonneur Nombreux résultats: Transitions à 2 photons Petites molécules Transitions à 1 photon … Meshulach et Silberberg, Nature, 396, (6708), 1998 Leone, et al., JCP, 108, (22), 1998 Girard, et al., PRL, 89, (20), 2002 Contrôle cohérent: ouverture… Contrôle en boucle ouverte de systèmes simples Théorie Expérience Meshulach, Silberberg Nature, 396 1998

  8. Le cadre: contrôle cohérent... L’apport des façonneurs: • L’apport des façonneurs au contrôle cohérent: • Stratégie « universelle » de contrôle de systèmes complexes. • Nouvel outil de compréhension de ces systèmes ? • Dispositifs « simples » et versatiles (prototypage rapide). • Grande liberté pour les mises en forme (complexité). • Mises en forme cohérentes par construction.

  9. Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples. Au menu • Mise en formed’impulsions(femtoseconde) • Caractérisationd’impulsions(femtoseconde) • Conclusion - Perspective

  10. I. Mise en forme d’impulsions Façonneur I. Mise en forme d’impulsions • Problématique • Comment façonner l’ultracourt ? • Paramètres clefs • Mise en œuvre

  11. I. Mise en forme d’impulsions 1. Problématique Façonneur I. Mise en forme d’impulsions • Problématique • Comment façonner l’ultracourt ? • Paramètres clefs • Mise en œuvre

  12. I. Mise en forme d’impulsions 1. Problématique Ultracourt: pas de façonnage temporel Il n’existe pas de modulateur temporel assez rapide (électro-optiques ~ 500 fs) Toute l’information est présente dans le domaine spectral Contrôle en PHASE et AMPLITUDE du champ spectral

  13. I. Mise en forme d’impulsions 1. Problématique Filtre spectral linéaire et passif: pas d’amplification et aucune nouvelle fréquence. Mise en forme spectrale Fonction de transfert dont on contrôle la phase et l’amplitude

  14. I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Façonneur I. Mise en forme d’impulsions • Problématique • Comment façonner l’ultracourt ? • Paramètres clefs • Mise en œuvre

  15. I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? f f f f dispersion angulaire G1 G2 L1 Plan de Fourier L2 Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) Froehly, et al.,Progress in optics, 20, 1983 L’impulsion n’est pas modifiée par la traversée du façonneur

  16. I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? f f f f dispersion angulaire G1 G2 L1 L2 Masque Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque fixe

  17. I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? f f f f dispersion angulaire G1 G2 L1 L2 Canal historique Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque programmable Weiner, A.M., RSI, 71, (5), 2000

  18. I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? Autre approche récente Filtre Acousto-Optique Dispersif Programmable (AOPDF) Interaction colinéaire entre l’impulsion laser et une onde acoustique. Axe rapide Autocompensation de la dispersion du cristal. Axe lent Verluise, et al, OL, 25, (8), 2000

  19. I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? IR moyen IR proche - rouge Visible UV Impulsions très courtes et intenses (AOPDF) Impulsions très complexes (ligne 4f) Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004 Seres, et al., OL, 28 , (19), 2003 Aujourd’hui… Beaucoup d’autres résultats …

  20. I. Mise en forme d’impulsions 2. Comment façonner l’ultracourt ? IR moyen IR proche - rouge Visible UV Façonnage large bande (ligne 4f) Façonnage accordable (AOPDF) Zeidler, et al. OL, 26, (23), 2001 Monmayrant, et al., APB, 2005 Aujourd’hui… Beaucoup d’autres résultats …

  21. I. Mise en forme d’impulsions 3. Paramètres clefs Façonneur I. Mise en forme d’impulsions • Problématique • Comment façonner l’ultracourt ? • Paramètres clefs • Mise en œuvre

  22. I. Mise en forme d’impulsions 3. Paramètres clefs Façonneur Paramètres clefs: compromis… Transmission (1% → 90%) Phase/Amplitude Phase seule Amplitude seule Complexité (10 → 1000) Seuil de dommage Energie en entrée (µJ → mJ) Contraste Taux de rafraîchissement (Hz → 100kHz) Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…

  23. I. Mise en forme d’impulsions 3. Paramètres clefs Façonneur Paramètres clefs: compromis… Transmission (1% → 90%) Phase/Amplitude Phase seule Amplitude seule Complexité (10 → 1000) Seuil de dommage Energie en entrée (µJ → mJ) Contraste Taux de rafraîchissement (Hz → 100kHz) Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…

  24. I. Mise en forme d’impulsions 3. Paramètres clefs Complexité: une définition simple Double contrainte: bande spectrale limitée et résolution finie. Weiner et al, JOSAB, 5, (8), 1988 Complexité élevée => impulsions fortement façonnées.

  25. I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Façonneur I. Mise en forme d’impulsions • Problématique • Comment façonner l’ultracourt ? • Paramètres clefs • Mise en œuvre

  26. I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Ligne à dispersion nulle très dispersive… - tout réflectif et géométrie sans aberration. - réseaux très dispersifs: 2000 traits/mm. - grande focale: f=600 mm. Simplement maximiser la complexité Maximiser la dispersion spatiale. Maximiser le nombre de pixels.

  27. I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Simplement maximiser la complexité Maximiser la dispersion spatiale. Maximiser le nombre de pixels. Masques à Cristaux Liquides: - Faible résolution (128 pixels) en PHASE et AMPLITUDE. - Haute résolution (640 pixels) en PHASE SEULE.

  28. I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Simplement maximiser la complexité Maximiser la dispersion spatiale. Maximiser le nombre de pixels. Association de 2 masques de Phase haute résolution - 2 Masques à CL de Jenoptik: 640 pixels: 100 µm (97+3µm). 300 GW/cm². 1 masque en Phase et Amplitude Haute résolution Stobrawa, et al.,APB, 72, (5),2001

  29. I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Simplement maximiser la complexité HRPS Performances: - fenêtre de 35 ps (0,06 nm/pixel). - h~220, h maxi de 350. - transmission totale: 70%. - seuil de dommage: 300 GW/cm². Monmayrant et Chatel RSI, 75, (8), 2004

  30. I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Les choses simples ne le sont pas Alignement ligne 4f : 32 degrés de liberté? Alignement des masques : 6 degrés de liberté 40 cm <-> 3µm Fabrication des supports Calibration / Programmation: pas toujours faite comme il le faudrait

  31. I. Mise en forme d’impulsions 4. Mise en œuvre Physique complexe Pixellisation et interstices Couplage spatiotemporel Dispersion spatiale non-linéaire

  32. II. Caractérisation d’impulsions II. Caractérisation d’impulsions • Mesurer l’ultracourt ? • Que sont lesTransitoires Cohérents ? • Une sonde sensible • Reconstruction de fonction d’onde atomique • Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

  33. II. Caractérisation d’impulsions 1. Mesurer l'ultracourt ? II. Caractérisation d’impulsions • Mesurer l’ultracourt ? • Que sont lesTransitoires Cohérents ? • Une sonde sensible • Reconstruction de fonction d’onde atomique • Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

  34. Mesurer l’impulsion: déterminer II. Caractérisation d’impulsions 1. Mesurer l'ultracourt ? Mesure ou caractérisation complète? Il n’existe pas de détecteur temporel assez rapide (caméras à balayage de fente ~ 500 fs) Caractérisation complète: déterminer l’amplitude et la phase dans le domaine spectral ou temporel.

  35. Photodiode II. Caractérisation d’impulsions 1. Mesurer l'ultracourt ? Mesures à référence Ex: corrélation interférométrique du premier ordre Nécessite une impulsion déjà caractérisée ayant les mêmes propriétés spectrales (longueur d’onde, largeur). Le problème de caractérisation est rejeté sur la référence. Mesures autoréférencées (SPIDER, FROG,..)

  36. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? II. Caractérisation d’impulsions • Mesurer l’ultracourt ? • Que sont lesTransitoires Cohérents ? • Une sonde sensible • Reconstruction de fonction d’onde atomique • Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

  37. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? Transitoires Cohérents: Théorie Interaction entre un système à deux niveaux et une impulsion courte Excitation résonnante en régime perturbatif

  38. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? 0.015 0.010 0.005 0.000 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 t (fs) t (fs) Transitoires Cohérents: Théorie Impulsion limitée par Transformée de Fourier Impulsion à dérive de fréquence

  39. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? 0.05 (t)) 0.00 e Im(a -0.05 -0.10 0 -0.15 Temps -0.20 Re(a (t)) e P (t) -0.1 0.0 0.1 0.2 e |a (t)|² e Théorie: Spirale de Cornu Phase quadratique temporelle Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

  40. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? 0.05 (t)) 0.00 e Im(a -0.05 -0.10 0 -0.15 Temps -0.20 Re(a (t)) e P (t) -0.1 0.0 0.1 0.2 e |a (t)|² e Théorie: Spirale de Cornu Phase quadratique temporelle Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

  41. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? 0.05 (t)) 0.00 e Im(a -0.05 -0.10 0 -0.15 Temps -0.20 Re(a (t)) e P (t) -0.1 0.0 0.1 0.2 e |a (t)|² e Théorie: Spirale de Cornu Phase quadratique temporelle Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

  42. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? 0.05 (t)) 0.00 e Im(a -0.05 -0.10 0 -0.15 Temps -0.20 Re(a (t)) e P (t) -0.1 0.0 0.1 0.2 e |a (t)|² e Théorie: Spirale de Cornu Phase quadratique temporelle Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

  43. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? 0.05 (t)) 0.00 e Im(a -0.05 -0.10 0 -0.15 Temps -0.20 Re(a (t)) e P (t) -0.1 0.0 0.1 0.2 e |a (t)|² e Théorie: Spirale de Cornu Phase quadratique temporelle Avant la résonance : Variation lente Passage par la résonance: phase stationnaire Après la résonance: Oscillations

  44. II. Caractérisation d’impulsions 2. Que sont lesTransitoires Cohérents ? t2 t1 Fluo. 6p-5s (u. arb.) on resonance F’’=-8 105 fs2 -2 0 2 4 6 8 10 Délai (ps) Observation expérimentale Zamith, et al, PRL, 87, (3), 2001

  45. II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible II. Caractérisation d’impulsions • Mesurer l’ultracourt ? • Que sont lesTransitoires Cohérents ? • Une sonde sensible • Reconstruction de fonction d’onde atomique • Caractérisation complète par Transitoires Cohérents

  46. II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Contrôle: temps - fréquence

  47. II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Contrôle: saut de phase de p

  48. II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Contrôle: saut de phase de p

  49. II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible (u. arb.) 2 (t)| Saut de phase de p 0,26 nm après la résonance e |a -2 0 2 4 6 8 temps (ps) Saut de phase de p : expérience Collaboration avec M. Motzkus (MPQ Garching) Ligne 4f CL 128 pixels 0.26nm/pix Degert,et al, PRL, 89, (20), 2002 Transitoires cohérents très sensibles à la position du saut.

  50. II. Caractérisation d’impulsions 3. Une sonde sensible Rb Rb 6d, 8d 795 nm, 1kHz 5 µJ, 20ps PM 6p 607 nm 1kHz 5 µJ 30 fs 795 nm 1kHz 1 mJ 130 fs 5p2P1/2 HRPS: 2 CL 640 pixels 0.06nm/pix Fluo 420 nm Chaîne LASER NOPA 5s Rb Saut de phase de p à l variable (pas de 0,06 nm) Phase Quadratique Une sonde sensible….

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