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Les lasers ultrabrefs ont la particularité de concentrer l'énergie de leurs impulsions dans un temps très bref... et donc de fournir une très grande puissance pour une énergie raisonnable.
Le laser femtoseconde : un laser pour découper
Une impulsion de 100 femtosecondes (fs) n'a pas le temps de chauffer la matière qu'elle illumine. Cet avantage est très intéressant pour réaliser un usinage laser de précision.
Le laser est couramment utilisé depuis plus de 20 ans pour l'usinage, en particulier pour découper ou percer des matériaux. Mais les lasers classiques chauffent la pièce à découper, ce qui limite la précision de la découpe. En particulier, les bords du trait de coupe sont souvent marqués d'un bourrelet dû à la fusion du matériaumatériau (photo ci-dessous, à gauche). De plus, en chauffant le matériau, puis en le refroidissant très rapidement en un point précis, on peut faire apparaître des contraintes locales qui peuvent le fragiliser.
Au contraire, un laser femtoseconde vaporise directement le matériau. La découpe est donc beaucoup plus « propre », donc plus précise : on obtient par exemple des bords de découpe plus nets, ou des trous plus profonds sans qu'ils ne s'élargissent lors du percement, comme le montrent les images ci-dessous. Cette découpe « propre », sans formation de bulles ni de débris, a un grand intérêt, et en particulier en chirurgie de l’œil ou du cerveaucerveau, où le laser femtoseconde est de plus en plus utilisé.
Pour mesurer des polluants
L'intensité des impulsions laser femtoseconde de grande puissance permet d'élargir le spectrespectre initial du laser. L'impulsion laser modifie l'indice de réfractionindice de réfraction sur son passage, et en retour, sa fréquencefréquence est modifiée : on appelle ce phénomène l'automodulation de phase. On génère ainsi un continuum de lumièrelumière blanche, c'est-à-dire un spectre lisse et très large, comme l'est celui d'une lampe (Figure 3.2). Mais le continuum est directionnel, comme l'est le rayon laser qui l'a généré. On peut donc s'en servir pour « illuminer » une direction particulière. Il est donc bien adapté pour des mesures à distance. On peut par exemple s'en servir pour des mesures de spectroscopie, dans lesquelles on caractérise une espèce chimiqueespèce chimique (par exemple, un polluant de l’air atmosphérique) en observant les longueurs d'ondelongueurs d'onde qu'il absorbe dans le spectre du continuum. Grâce au large spectre du continuum, on peut même détecter plusieurs espèces à la fois.
Pour « photographier » les réactions chimiques
La duréedurée des impulsions ultrabrèves, inférieure à la picosecondepicoseconde, correspond à l'échelle de temps des processus mis en jeu dans les réactions chimiques. Ces temps sont tellement courts qu'on ne peut pas les observer directement : aucune caméra, aucun détecteur, n'est assez rapide pour cela.
Par contre, les lasers femtoseconde permettent de les observer indirectement. Pour cela, on partage l'impulsion femtoseconde en deux (par exemple, grâce à un miroirmiroir semi-réfléchissant), et l'on retarde l'une des impulsions (l'impulsion de sonde) par rapport à l'autre (l'impulsion de pompe). Concrètement, on peut obtenir ce délai en faisant parcourir à l'impulsion de sonde un chemin plus long que l'impulsion de pompe.
Schéma pompe-sonde
L'impulsion de pompe va donc arriver la première sur l'objet à étudier, et y initier par exemple la rupture d'une liaison chimiqueliaison chimique, c'est-à-dire la séparationséparation de deux parties d'une moléculemolécule. L'impulsion de sonde, arrivant peu après, sert à « observer » l'état de l'objet. Par exemple, son absorptionabsorption dépendra de la séparation des fragments de la molécule.
