Antoine Monmayrant Thèse effectuée sous la direction de Béatrice Chatel Equipe FEMTO (Bertrand Girard) Université Paul Sabatier Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité 27 juin 2005 Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples.
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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:. - PowerPoint PPT Presentation
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Antoine Monmayrant
Thèse effectuée sous la direction de Béatrice ChatelEquipe FEMTO (Bertrand Girard)
Université Paul SabatierLaboratoire Collisions Agrégats Réactivité
27 juin 2005
Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes.
Contrôle cohérent de systèmes simples.
Le cadre: contrôle cohérent... 2
Le cadre:
Contrôle Cohérent:
Contrôle de la matière par son interaction avec une lumière cohérente contrôlée.
Le cadre: contrôle cohérent... 3
Contrôle cohérent: les débutsInterférences de chemins quantiques
Séquenced’impulsions
ABC1
2
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 ?
A+BCAB+C
ABC
Le cadre: contrôle cohérent... 4
Contrôle de systèmes complexes
ExpérienceThéorie
Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée
Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992
Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001
Gerber, et al.Science, 282, 1998
Pour contrôler des systèmes complexes:
Beaucoup de paramètres de contrôle (~500).
Mise en forme PROGRAMMABLE.
Algorithme d’optimisation.
Rabitz, et al.Science, 259, 1993
Optimiser le signal mesuré
Systèmecomplexe
Façonneur
Algorithmed’évolution
MesureForme
FEMTOPINK
Refaire blahblah avec nv T entre theorie et exp pr expliquer rôle des façonneurs.
Le cadre: contrôle cohérent... 5
Contrôle de systèmes complexes
ExpérienceThéorie
Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée
Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992
Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001
Gerber, et al.Science, 282, 1998
Pour contrôler des systèmes complexes:
Beaucoup de paramètres de contrôle (~500).
Mise en forme PROGRAMMABLE.
Algorithme d’optimisation.
Rabitz, et al.Science, 259, 1993
Optimiser le signal mesuré
Systèmecomplexe
Façonneur
Algorithmed’évolution
MesureForme
Façonneur
Le cadre: contrôle cohérent... 6
Contrôle de systèmes complexes
ExpérienceThéorie
Contrôle optimal: optimisation en boucle fermée
Judson et RabitzPRL, 68, (10), 1992
Gerber, et al.,CP, 267, (1-3), 2001
Gerber, et al.Science, 282, 1998
Rabitz, et al.Science, 259, 1993
Optimiser le signal mesuré
Systèmecomplexe
Façonneur
Algorithmed’évolution
MesureForme
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
Le cadre: contrôle cohérent... 7
Nombreux résultats:
Transitions à 2 photons
Petites molécules
Transitions à 1 photon
…
Leone, et al., JCP, 108, (22), 1998
Girard, et al., PRL, 89, (20), 2002
Meshulach et Silberberg, Nature, 396, (6708), 1998
Contrôle cohérent: ouverture…Contrôle en boucle ouverte de systèmes simples
Montrer un nouvel effet?
SystèmeSimple
Façonneur
Théorie
MesureForme
Meshulach,SilberbergNature, 3961998
ExpérienceThéorie
Le cadre: contrôle cohérent... 8
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.
Façonnage et caractérisation d'impulsions ultracourtes. Contrôle cohérent de systèmes simples. 9
Au menuI. Mise en forme
d’impulsions(femtoseconde)
II. Caractérisationd’impulsions(femtoseconde)
III. Conclusion - Perspective
I.Mise en forme d’impulsions 10
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 11
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 12
Ultracourt: pas de façonnage temporel
Il n’existe pas de modulateur temporel assez rapide(électro-optiques ~ 500 fs)
( ) Re ( )t E tMettre en forme l'impulsion : modifier E
( )( ) ( ) iE E e ( )( ) ( ) i tE t E t e F
-1FToute l’information est présente dans le domaine spectral
Contrôle en PHASE et AMPLITUDE du champ spectral
I.Mise en forme d’impulsions1.Problématique 13
Mise en forme spectrale
Filtre spectral linéaire et passif:
pas d’amplification et aucune nouvelle fréquence.
S E 2( ) 1H
( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) iS EE H E H A e avec
Fonction de transfert dont on contrôle la phase et l’amplitude
( )EE t ( )SE t limitée par TF( )( ) EiH e
( )EE t ( )SE t à dérivede fréquence
( 2) 2 / 2( ) iH e
1
0 ~ E
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 14
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 15
f f f f
L1 L2Plan de Fourier
G1 G2
Froehly, et al.,Progress in optics, 20, 1983
Canal historique
L’impulsion n’est pas modifiée par la traversée du façonneur
( )EE t ( )EE t
dispersionangulaire
Ligne à dispersion nulle (ligne 4f)
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 16
Canal historique
Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque fixe
f f f f
L1 L2Masque
G1 G2
( )EE t ( )SE t
dispersionangulaire
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 17
Canal historique
Ligne à dispersion nulle (ligne 4f) et masque programmable
.X f M X .( )( () )ES M f EE
f f f f
L1 L2
G1 G2
( )EE t ( )SE t
M X
X
dispersionangulaire
Weiner, A.M.,RSI, 71, (5), 2000
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 18
Autre approche récenteFiltre Acousto-Optique Dispersif Programmable (AOPDF)
S
Axe lent
Axe rapide
Verluise, et al, OL, 25, (8), 2000
Interaction colinéaire entre l’impulsion laser et une onde acoustique.
( )(( ) / )S EE S E 710.
c
nV
Autocompensation de la dispersion du cristal.
S t
( )EE t
( )SE t
FEMTOPINK
Deltan est l'anisotropie de groupe (optique)V est la vitesse de propagation de l'onde dans le cristal.c vitesse de la lumière.
FEMTOPINK
Omega~10aines de MHz pour omega~ 100aines THz
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 19
Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV
Seres, et al.,OL, 28 , (19), 2003
Impulsions très courtes et intenses (AOPDF)
Monmayrant et Chatel, RSI, 75, (8), 2004
Impulsions trèscomplexes (ligne 4f)
Beaucoup d’autres résultats …
I.Mise en forme d’impulsions2.Comment façonner l’ultracourt ? 20
Aujourd’hui…IR moyen IR proche - rouge Visible UV
Façonnage accordable (AOPDF)
Monmayrant, et al.,APB, 2005
Façonnage large bande (ligne 4f)
Zeidler, et al.OL, 26, (23), 2001
Beaucoup d’autres résultats …
I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 21
1. Problématique
2. Comment façonner l’ultracourt ?
3. Paramètres clefs
4. Mise en œuvre
I. Mise en forme d’impulsions
( )EE t ( )SE tFaçonneur
I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 22
Seuil de dommageEnergie en entrée
(µJ → mJ)
Paramètres clefs: compromis…
Taux de rafraîchissement(Hz → 100kHz)
Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…
Phase/AmplitudePhase seule
Amplitude seule
Contraste
Transmission(1% → 90%)
( )EE t ( )SE tFaçonneur
Complexité(10 → 1000)
I.Mise en forme d’impulsions3.Paramètres clefs 23
Seuil de dommageEnergie en entrée
(µJ → mJ)
Paramètres clefs: compromis…
Taux de rafraîchissement(Hz → 100kHz)
Mais aussi : encombrement, qualitatif/quantitatif, facilité d’utilisation,…
Transitoires très sensibles: on repère un décalage de 0,06 nm.Caractérisation de façonneurs à haute résolution:
Wohlleben, et al., APB, 79, (4), 2004
Caractérisation complète d’impulsions par Transitoires Cohérents ?Monmayrant et al., CLEO 2005, soumis à OL
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 52
II. Caractérisation d’impulsions
1. Mesurer l’ultracourt ?
2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?
3. Une sonde sensible
4. Reconstruction de fonction d’onde atomique
5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents
( ) ( ) egi t
ea E t e dt
e
g( )E t
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 53
Transitoires Cohérents: amplitude?
0.30.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
teg
egt
Pe(t)
Pas de signal avant la résonance: aucune information sur la première demi-spirale.
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 54
Transitoires Cohérents: amplitude?
0.30.0 0.1 0.2
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
eIm
(a(t
))
Re(ae(t))
On transfère de la population à l’aide d’une pré-impulsion.
- Pas de recouvrement temporel.
- Les Transitoires Cohérents dépendent de la phase relative à résonance.
- ae(t) est complexe:2 enregistrements nécessaires.
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 55
2
1 2( ) ( ) ( )ie eS a e a
1( )E t 2( )ie E t 0
0
Des transitoires à l’amplitude
Deux séquences de deux impulsions avec une phase relative contrôlée
0( )S
( )S
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 56
Reconstruction expérimentale: pré-requis
1 2( ) ( )iE t E te
Comment créer des séquences d’impulsions:
-séparées par des délais importants.
-avec un contrôle interférométrique des délais.
-une stabilité sur plusieurs minutes, voire des heures.
?
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 57
Reconstruction expérimentale: test
Deux impulsions limitées par TF avec une phase relative …(1)1 1
( ) exp ( )2 2 pH i i
-1 0 1 2 3 4 50
1
2
3
4
|ae2
(t)|2 (
u.
arb
.)
Délai (ps)
Inte
nsi
té (
u.
arb
.)
0 1 2 3 4
0
2
4
|ae2
(t)|2 (
u. a
rb.)
Phase (rad)
(1) 3 ps
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 58
Spirographe atomique…(2)
(1) 21 1( ) exp ( ) ( )
2 2 2p pH i i i
(1) 6 ps(2) 5 22.10 fs
/ 5
/ 5 / 2
1 2( ) ( )iE t E te
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 59
Evolution temporelle de ae2(t)
Im[ae2(t)] (u
. arb.)
Re[ae2 (t)] (u. arb.)
Tem
ps
(fs)
II.Caractérisation d’impulsions 4.Reconstruction de fonction d’onde atomique 60
Mesure de fonction d’ondeQu’avons-nous mesuré?
Evolution forcée d’un niveau atomique
Technique proche de l’holographie quantique
Mais habituellement on suit l’évolution libre d’un paquet d’onde - Tomographie quantique
- Holographie quantique
- Mesure de paquet d’onde
Leichtle, et al., PRL, 80, (7), 1998
Walmsley, J. Phys. B, 31, 1998
Leichtle, et al., PRL, 80 , (7), 1998
Weinacht, et al., PRL, 80, (25), 1998
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 61
II. Caractérisation d’impulsions
1. Mesurer l’ultracourt ?
2. Que sont lesTransitoires Cohérents ?
3. Une sonde sensible
4. Reconstruction de fonction d’onde atomique
5. Caractérisation complète par Transitoires Cohérents
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 62
Dérivation du champ électrique
Amplitude de probabilité Intégrale du champ électrique
2 2( ) ( ) egi t
ea E t e dt
2 2( ) ( ) egi t
e
da t E t e
dt
2 ( )egE 2 ( ) egi tE t e F
1 2( ) ( )iE t E te
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 63
Reconstruction du champ électrique
Des transitoires…
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 64
Reconstruction du champ électrique
Des transitoires…
… à l’amplitude de probabilité...
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 65
Reconstruction du champ électrique
Des transitoires…
… à l’amplitude de probabilité...
… et au champ électrique.
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 66
Par différence entre les deux mesures, on détermine la dispersion du
barreau de verre: ( )d eg
Mesure de dispersion
( )egE ( ) egi tE t e F
( )E t
Dispositif de mesure
(avec façonneur)
a)
barreau ( )( ) d egi
egE e ( ) egi t
dE t e F
( )E t ( )dE t
Dispositif de mesure
(avec façonneur)
b)
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 67
Mesure de dispersion
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 68
Effet de la sonde(
2
) )) (( ( ) fe
e
i t
sb E t e t dta
2(( () ))s fe egE ES
( ) ( )d
S bd
Fluo
e
f
g2 ( )E t
( )sE t
1( )E t
Mesure à référence: la sonde doit être connue (ou la pompe!).
Terme interférométrique inhabituel: résonance à 2 photons.Décalage spectral: terme “amplitudométrique” à deux couleurs.
La sonde peut être longue mais doit être caractérisée.
2 2( ) ( ) egt i t
e e da tt E t
II.Caractérisation d’impulsions 5.Caractérisation complète par T. Cohérents 69
Une technique de plus?
2(( () ))s fe egE ES
Technique adaptable?
- Principe général: accordable à différentes gammes spectrales.- Fonctionne aussi pour un continuum (ionisation par la sonde).- Semble donc applicable à la caractérisation XUV.
Technique adaptée aux impulsions fortement façonnées:
- Très bonne résolution spectrale (Doppler).- Permet la caractérisation d’impulsions très étirées.- Permettrait la caractérisation d’impulsions composées de plusieurs lobes séparés (contrairement aux mesures autoréférencées).- Mesure in situ.