Cristaux liquides pour l’optique ultra-rapide

Le chemin scientifique parcouru depuis la première démonstration du laser par Maiman en 1960 et la première expérience d’optique non linéaire l’année suivante est immense. En particulier, les activités liées aux sources laser impulsionnelles de durée femtoseconde sont en expansion croissante depuis les années 1990. À cette époque, la démonstration de l’amplification à dérive de fréquences (CPA pour Chirped-Pulse Amplification, Prix Nobel de physique 2018), l’apparition du saphir dopé au titane comme matériau presque parfait pour l’émission laser en spectre large et la découverte du Magic Mode Locking créent un engouement pour les sources lumineuses ultra-brèves, jamais démenti depuis. Aujourd’hui, le laser femtoseconde est confortablement installé dans de nombreux domaines de recherche fondamentale, physique, chimie (Prix Nobel de Chimie en 1999), biologie, mais également médecine, micro-usinage et même archéologie. C’est peut-être dans le domaine des hautes intensités, et de ses applications à l’accélération de particules et à la génération de sources secondaires dans des domaines variés du spectre électromagnétique, que les progrès sont les plus spectaculaires. À l’aube des années 2000, la maîtrise de la qualité spatio-temporelle des impulsions énergétiques permet d’atteindre sur cible des intensités aussi élevées que 10²¹ W.cm^–2. Quelques années plus tard, la possibilité de générer des impulsions intenses dont la durée n’excède pas quelques oscillations du champ électrique (régime du cycle optique), conjuguée à la stabilisation de la phase entre la porteuse du champ et son enveloppe, bouleverse les repères temporels et ouvre la physique attoseconde (Prix Nobel de Physique 2023).

En optique, les thématiques de recherche liées aux lasers ultra-brefs sont extrêmement variées et en constant développement : physique des lasers, optique non linéaire ultra-rapide, méthodes tout-optique de mesure et façonnage spatial et/ou temporel. Ces sujets ouvrent également diverses investigations en physique des matériaux (cristaux, milieux électro-optique et acousto-optique, fibres optiques et même matière molle). Enfin, de nouvelles architectures de sources sont étudiées, comme les systèmes femtosecondes de troisième génération, basés sur l’amplification paramétrique.

L’immense majorité des applications des lasers ultra-brefs requiert de contrôler le contenu spectral et la forme temporelle des impulsions femtosecondes, soit pour bénéficier d’un champ électrique maximal, soit pour suivre la dynamique propre du système étudié. Le contrôle, idéalement programmable, de la phase est ainsi un enjeu essentiel de l’optique ultra-rapide. Pour ce faire, de nombreuses combinaisons de systèmes optiques sont disponibles et sont l’objet de développements technologiques continus.

Les cristaux liquides fournissent une solution technologique à la fois élégante et pertinente pour compléter les dispositifs actuels de contrôle de la phase des sources femtosecondes. Ces matériaux mésomorphes possèdent en effet des propriétés optiques intrinsèquement très intéressantes : une large biréfringence optique, une grande gamme spectrale de transparence, et surtout la capacité de modifier leur réponse optique à travers la réorganisation moléculaire induite par un faible champ électrique ou magnétique. Ces milieux versatiles peuvent aussi être contrôlés via leur composition chimique ou la température. Les cristaux liquides ont été de fait largement exploités pour la modulation de la lumière mais, malgré leurs propriétés exceptionnelles, leur application à la manipulation d’impulsions femtosecondes est restée pendant des dizaines d’années relativement occasionnelle.

Cet article décrit l’exploitation des propriétés optiques des cristaux liquides nématiques en couches épaisses pour la manipulation spectro-temporelle d’impulsions ultra-brèves. Il est d’abord montré que les cristaux liquides, de par leurs propriétés de transparence, de dispersion et de tenue au flux, sont intrinsèquement adaptés au contexte de l’optique ultra-rapide. L’adéquation et les applications des dispositifs à cristaux liquides électro-optiques pour le façonnage temporel des sources femtosecondes sont présentées, ainsi que leurs limitations. De ces constations découle la conception d’un modulateur de phase réflectif ultra-large bande. Le dispositif, un modulateur spatial de lumière thermo-optique (TOA-SLM), contourne la plupart des limites techniques des dispositifs traditionnels Ce dispositif permet la modulation arbitraire et continue de la phase sur une plage spectrale multi-octave.