Les particularités des lasers ultracourts (un peu de technique)

Produire des impulsions laser de l'ordre de 100 fs ou moins nécessite un matériau adéquat et une technique prenant en compte la synchronisation et l'amplification des impulsions. 

Starfire Optical Range - sodium laser. © Directed Energy Directorate, Wikimedia commons, US Air Force DP

Produire une impulsion laser ultrabrève

Un laser « classique » est construit pour maximiser la cohérence du faisceau émis. En particulier, en jouant sur la géométrie de la cavité laser, on cherche à obtenir une émission « monomode », c'est-à-dire que l'on ne veut autoriser l'émission que dans une direction bien précise, à une longueur d'onde bien précise.

Mais le principe d’incertitude d’Heisenberg interdit les impulsions trop courtes pour un laser monomode. Or, on veut produire des impulsions de 100 fs ou moins, soit un dix-millionième de millionième de seconde. On va donc choisir un matériau laser qui peut émettre sur une large bandelarge bande (plusieurs dizaines de nanomètres de largeur spectrale), et construire la cavité de manière à autoriser l'effet laser sur toute cette plage de longueurs d'onde, donc sur un grand nombre de modes. Reste à synchroniser tous ces modes : l'impulsion émise ne sera courte que si tous sont émis en même temps. Mais chacun d'entre eux est synchronisé aléatoirement, en fonction de l'émission spontanée qui lui a donné naissance. Pour y remédier, on ajoute dans la cavité un « absorbeur saturable », qui est opaque aux faibles intensités lumineuses, lorsque les modes sont répartis dans le temps, mais qui laisse passer les plus intenses, c'est-à-dire lorsque les modes se trouvent arriver simultanément.

Ainsi, on ne peut amplifier que les impulsions courtes, et ce sont elles qui sont émises : c'est le verrouillage des modes. Il reste ensuite à les amplifier encore, pour obtenir des impulsions de forte puissance.

Figure 2.1. Principe du verrouillage des modes. En haut : lorsque les modes ne sont pas synchronisés, ils sont bloqués par l’absorbeur saturable. Lorsqu’ils sont synchronisés, l’intensité est suffisante pour qu’une impulsion ultracourte soit transmise puis amplifiée.

Amplifier une impulsion laser ultrabrève

Il est impossible de produire en une seule étape des impulsions laser ultrabrèves et de forte puissance. On doit donc d'abord produire des impulsions brèves, puis les amplifier pour les amener au niveau de puissance désiré.

Mais les impulsions courtes, après amplification, ont une telle puissance qu'ils risqueraient d'endommager les composants optiques qu'ils traversent... y compris les cristaux de l'amplificateur laser ! Lors de l'amplification, on doit donc utiliser une technique particulière, appelée « amplification à dérive de fréquencefréquence » : cette technique a été mise au point en 1985 par l'équipe de Gérard Mourou à l'université du Michigan. Elle est représentée schématiquement sur la figure 2.2., ci-dessous.

Figure 2.2. Principe de l’amplification à dérive de fréquences. Les valeurs d’énergie par impulsion, de durée d’impulsion et de cadence sont indicatives.

Dans cette technique, on profite de la grande largeur spectrale des impulsions ultrabrèves issues de l'oscillateur pour les allonger l'impulsion, de manière réversibleréversible. Grâce à un réseau de diffractionréseau de diffraction, on sépare chaque composante spectrale (chaque « couleurcouleur ») de l'impulsion, et on leur fait parcourir un chemin de longueur différente avant de les recombiner dans le même faisceau grâce à un second réseau (voir un exemple figure 2.3). On obtient ainsi une impulsion allongée mille fois, qui va pouvoir traverser les amplificateurs sans les endommager, et ainsi atteindre l'énergieénergie souhaitée, jusqu'à plusieurs joulesjoules par impulsion, voire plus.

Figure 2.3. Principe d’un étireur.

En fin d'amplification, on recombine toutes les composantes spectrales dans un système nommé compresseur, qui fonctionne sur le même principe que l'étireur, mais inversé. Toutes les composantes spectrales arrivent de nouveau ensemble, on retrouve donc l'impulsion brève, mais l’énergie qu'elle a reçue pendant l'amplification, associée à sa courte duréedurée retrouvée, lui donne une puissance très élevée.