Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La technologie évoluant, les impulsions délivrées par les sources laser sont passées progressivement de la milliseconde par un simple procédé mécanique, à la nanoseconde par déclenchement électro-optique d’un cristal non linéaire, puis à la picoseconde par verrouillage des modes d’une cavité laser jusqu’à l’échelle de la femtoseconde par l’effet non linéaire. Après quelques rappels, cet article décrit les éléments de base des techniques physiques de génération et de propagation des impulsions laser, avant de présenter les applications des lasers à impulsions ultracourtes.
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Georges BOULON : Professeur des universités - Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents - Université Claude Bernard Lyon 1, 5620 CNRS
INTRODUCTION
La dynamique électronique interne aux atomes actifs en optique se joue à des échelles de temps comprises entre quelques nanosecondes et des fractions de seconde. Les connaissances dans ce domaine ont donc progressé parallèlement aux avancées des sources à impulsions rendant possible le pompage des niveaux d’énergie atomiques dans les gaz, liquides et solides c’est‐à‐dire principalement avec les outils lasers mis au service des chercheurs, particulièrement efficaces, à la fois, par leur intensité et par leur double sélectivité fréquentielle et temporelle. En réalité, on ne pouvait pas s’arrêter là et les efforts dans la recherche de sources encore plus rapides, en deçà de la nanoseconde, ont abouti progressivement à franchir l’échelle de temps de la picoseconde (1 ps = 10 –12 s) puis de la femtoseconde (1 fs = 10 –15 s), c’est‐à‐dire l’échelle de temps pour les échanges d’atomes ou de groupes d’atomes des systèmes à plusieurs corps comme les molécules isolées, les protéines ou les solides. Les premiers travaux sur les mouvements des molécules ont été réalisés dès 1945 par Porter et Norrish en mettant au point la technique de photolyse par flashs ce qui leur valut le prix Nobel de chimie en 1967. Plus récemment, l’utilisation de lasers à impulsions à l’échelle de la femtoseconde ont valu le prix Nobel de chimie à Zewail en 1999.
À titre d’exemple nous donnons sur la figure 1 des ordres de grandeur des échelles de temps intervenant dans les phénomènes physico-chimiques et biochimiques. C’est la femtochimie qui permet d’observer le comportement dynamique des atomes et des molécules ou de visualiser l’évolution des réactions chimiques.
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- Version courante de juil. 2017 par Georges BOULON
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Conclusion5. Une autre étape : la recherche d’impulsions à l’échelle de l’attoseconde
Comme on vient de le voir, les lasers à impulsions ultracourtes sont riches de promesses. On entre maintenant dans l’âge de l’attoseconde (1 as = 10 –18s) d’obtenir des trains d’onde de plus grande largeur spectrale que ceux utilisés en femtochimie qui n’observe que les mouvements des molécules et des réactions chimiques, ceci afin d’étudier les mouvements ultrarapides des électrons des atomes. Actuellement, la production d’impulsions ultracourtes est limitée à 3,8 fs par utilisation des techniques lasers à bandes larges comme celle du saphir dopé Ti3+. A λ = 800 nm, maximum de la bande large de Ti3+, l’oscillation de l’onde dure 2,5 fs ce qui signifie que le train d’onde correspond à un peu plus d’une période ! Il faudrait alors utiliser des lasers émettant à des longueurs d’ondes beaucoup plus courtes dans l’UV mais ces lasers n’ont pas l’optimisation atteinte par celle des lasers IR. C’est donc la solution des champs forts mettant en jeu des effets non linéaires élevés dans les gaz rares (néon, argon, krypton), et donc pouvant créer un grand nombre d’harmoniques, qui est retenu. En France un laboratoire du CEA a observé jusqu’à 300 harmoniques et en 2001 des impulsions de 250 as ont été enregistrées allant même jusqu’à 130 as récemment. L’objectif est de reproduire les techniques d’observations dynamiques des électrons autour du noyau à l’attoseconde (attophysique) sur le modèle des avancées acquises à la femtoseconde par la femtochimie.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GAUDUEL (Y.) - La femtochimie, - numéro spécial de L’Actualité Chimique, févr. 2001. — ABRAHAM (E.), OBERLÉ (J.), JONUSAUSKAS (G.), RULLIÈRE (C.) : Analyse de réactions chimiques par spectroscopie non linéaire résolue en temps. — GAUDUEL (Y.), HALLOU (A.). Réactivité ultrarapide en chimie radicalaire. — GUSTAVSSON (T.), MONS (M.), VISTICOT (J.-P.). Femtochimie : de la molécule isolée à la phase liquide. — BRATOS (S.), GALE (G.M.), GALLOT (G.), LEICKNAM (J.-C), POMMERET (S.). Femtochimie de l’eau liquide.— BUNTINX (G.), LAPOUGE (C.), POIZAT (O.). Spectrochimie Raman et suivi structural d’espèces chimiques en cours de réaction.— PLAZA (P.), GHANGENET-BARRET (P.), LAAGE (D.), MARTIN (M.). Actes photochimiques primaires dans les matériaux organiques en solution. — MIALOCQ (J.-C.), POMMERET (S.), FOURNEIR (T.), DELANDRE (A.), ROZOT (R.). Liaison hydrogène et transferts de protons intramoléculaires à l’échelle de temps femtoseconde. Application à la photoprotection contre les UVA et les UVB solaires.
-
(2) - Les lasers et leurs applications scientifiques et médicales, - Édition C. Fabre et J.P. Pocholle, Les Éditions de Physique (Paris) (1996) : — BRUN (A.), GEORGES (P.), Sources laser femtoseconde, p. 287-308. — HULIN (D.), Applications des impulsions lasers ultra-brèves, p. 465-506.
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(3) - Ultrafast dynamics of quantum systems. Physical processes and spectroscopic Techniques. - Edited...
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