Bonjour, pour cette dernière semaine, nous allons nous intéresser au laser femtoseconde. Alors, le laser femtoseconde, c’est à la fois un, un outil qui nous permet de, de produire des impulsions très brèves, et donc très intenses, et qui comme vous l’avez vu, nous, nous permettent de mettre très facilement en évidence tous les effets non linéaires dont on a discuté ces, ces dernières semaines. Mais, les lasers femtosecondes sont aussi des systèmes qui illustrent à merveille les différents effets d’optique non linéaires dont on a, dont on a parlé. En fait, pour comprendre le fonctionnement d'un laser femtoseconde, et bien, on a besoin de, de l’optique non linéaire qu’on a apprise ensemble. Alors, dans cette première vidéo, on va s’intéresser aux principes de base d’un oscillateur femtoseconde. Comme on va le voir dans les prochaines vidéos, ça sera en fait, la vision que je vais donner ici sera finalement une vision assez naïve, mais c’est la première approche qu’on peut avoir de ce qu’on appelle un oscillateur femtoseconde. Alors, pourquoi parle-t-on d’oscillateur femtoseconde? Parce qu’un laser, c’est avant tout un oscillateur. Et, comme, comme en électronique, pour faire un oscillateur, on prend un amplificateur, et on va le boucler sur lui-même. Si on veut un oscillateur qui, qui oscille à une fréquence bien, bien précise, on va mettre dans la boucle ici, un filtre qui va sélectionner la fréquence, la fréquence souhaitée, et le système va naturellement osciller à cette, à cette fréquence. Alors, vous connaissez certainement un exemple d’oscillateur obtenu par cette méthode de bouclage d’un amplificateur sur lui-même, c’est ce qu’on appelle l’effet Larsen. Quand vous mettez un micro trop près d’un haut parleur, ce qui va se passer, c’est que le son émis par le haut parleur va être capté par le micro, amplifié par votre, votre système audio et réémis par le, le haut parleur. Et vous savez que quand vous mettez le, le micro trop près du haut parleur, et bien vous avez un gain qui va compenser les pertes, et naturellement le système va se mettre à émettre un son à une fréquence en général stridente qui correspond à la fréquence pour laquelle le système complet de, d’amplification et de bouclage va avoir un gain maximum. Donc, c’est comme ça qu’on fait un oscillateur en électronique. En optique, c’est la même chose. Donc, on peut, avec cette méthode, faire des masers ou des, ou des lasers. Le milieu amplificateur, et bien ça va tirer partie de l’émission stimulée, donc pour ça, on aura par exemple un système comme ça avec ces deux niveaux et, on va réaliser une inversion de population pour qu’on ait plus de population dans l’état excité que dans l’état fondamental, pour qu’on ait amplification. Et puis, le bouclage, ça va être une cavité, une cavité optique. Donc, on va mettre, par exemple, ici, une cavité avec un miroir plan et un miroir concave pour compenser la, la diffraction naturelle du faisceau lumineux, et avoir un régime d’oscillation stable dans cette, dans cette cavité. Donc, ça, c’est le principe général du laser en continu. Et pour que ça fonctionne, il faut remplir ce qu’on appelle la condition de bouclage, c’est-à -dire qu'il faut qu’après un aller-retour dans la cavité, le champ soit reproduit exactement identique à lui-même, pour qu’on ait interférence constructive et régime stationnaire dans, dans le laser. Donc, ça, c’est le laser continu. Qu’est-ce qu’il faut pour faire un oscillateur femtoseconde? Et bien, il va falloir trois ingrédients en plus de, de ce que je viens de décrire ici. D’une part, évidemment il faudra, que le milieu amplificateur ait une grande largeur spectrale, parce que comme on l’a vu, qui dit impulsion brève dit grande largeur spectrale, donc, la largeur spectrale va être proportionnelle à l’inverse de la durée, de la durée souhaitée. Et donc, ça veut dire qu’il faudra un milieu amplificateur qui ait une bonne amplification, suffisamment large. Alors ça, on peut le réaliser en utilisant non pas, non pas deux niveaux, ici, impliqués dans l’émission stimulée, mais un grand nombre de, un grand nombre de niveaux, et comme ceci, on pourra avoir émission stimulée pour différentes, différentes valeurs de la fréquence, et donc on pourra avoir, effectivement, une amplification sur une grande largeur spectrale. Alors, le problème dans ce, dans ce schéma, c’est que, lorsque l’impulsion fait un aller-retour, dans la cavité, donc en supposant, qu’il y a effectivement une impulsion qui existe dans ce, dans ce laser. Si une impulsion fait un aller-retour dans la cavité, et bien on sait qu’on va avoir une, une dérive de fréquence parce qu’on a ici un milieu pour lequel la, la dérive, enfin la dispersion de vitesse de groupe k seconde va être positive, comme, comme dans la majorité des milieux dans le, dans le visible ou le proche infrarouge, enfin le très proche infrarouge, à zéro huit microns par exemple. Et donc, les différentes composantes spectrales ne vont pas aller à la même vitesse et, après un aller-retour dans la cavité, votre impulsion se sera allongée, donc on n’aura pas rempli la condition de bouclage. Donc, le deuxième ingrédient pour faire un oscillateur femtoseconde, c’est de compenser cette dispersion de vitesse de groupe, DVG en abrégé. Et pour ça, on va introduire dans la cavité, un dispositif sur lequel je vais revenir dans la suite tel que la, la dispersion de vitesse de groupe dans ce dispositif soit négative. Donc, il nous faudra un dispositif qui a une dispersion de vitesse de groupe négative pour compenser la, la dispersion de vitesse de groupe positive du milieu amplificateur. Et puis, tout ça ne suffit pas parce que, même si le système est comme représenté ici, finalement, votre laser, il peut toujours fonctionner en continu. Il faut trouver un mécanisme qui va, privilégier le fonctionnement en régime impulsionnel. Alors, ce mécanisme, on l’appelle le blocage des modes pour des raisons qui seront, qui seront plus claires dans la suite, mais enfin, en gros, on appelle ça blocage des modes parce que, votre, votre laser, ici, pourra avoir différents modes longitudinaux, il pourra aussi, là , différentes fréquences, et évidemment pour faire une impulsion brève, il ne suffit pas que, le, d’avoir une grande largeur spectrale, il faut encore que la phase spectrale soit constante, ou linéaire sur cette grande largeur spectrale, et donc il faudra que tous les modes de la cavité émettent avec la même phase, ce qui veut dire qu’on va les bloquer en phase, ces modes, et donc c’est ça qui est le troisième ingrédient nécessaire pour pouvoir privilégier le régime de fonctionnement impulsionnel, et en fait faire en sorte que le laser ne puisse fonctionner que, en régime impulsionnel. Donc, nous allons maintenant voir comment on peut, réaliser ces trois ingrédients, dans l’architecture d’un oscillateur femtoseconde. Alors, commençons par le premier ingrédient, le fait qu’on ait besoin d’un milieu amplificateur qui a une grande, une grande largeur spectrale. Je rappelle la raison, vous avez démontré que delta oméga delta t était toujours supérieur ou égal à un demi, et donc si on veut un delta t petit, il faudra un grand delta oméga. Alors, ça a été, en fait, l’une des difficultés, pour, pour réaliser des oscillateurs femtosecondes, dans, au début des années, des années, des années 80, ou à la fin des années 70, on parvenait à avoir ces, ces grandes largeurs spectrales avec des, des colorants, mais il y a eu une révolution dans le, dans le domaine, donc, dans, vers le milieu, le milieu des années 80 avec la, la, le contrôle, enfin la fabrication d’un certain nombre de milieux amplificateurs solides, comme par exemple le saphir dopé au titane ou le YAG dopé au chrome, qui ont des spectres d’amplification extrêmement larges. Vous avez ici un ensemble de spectres de, de fluorescence de ces milieux amplificateurs solides, donc représentés en fonction de la, de la longueur d’onde. Et, vous voyez que ces spectres sont extrêmement larges, ils peuvent facilement contenir un, un spectre d’une impulsion, donc j’ai choisi ici, que j’ai choisi gaussien. Et, comme, comme vous pouvez le voir, la transformée de Fourier de cette, de cette Gaussienne ici, est une impulsion femtoseconde, qui est effectivement très brève, qui est de l’ordre de, de l’ordre d’une dizaine de femtosecondes, avec très, très peu de, de cycles d’oscillation du champ électrique. Et si j’ajuste la largeur de ma gaussienne par rapport au spectre expérimental de, de fluorescence, vous voyez qu’on peut effectivement espérer produire dans le saphir dopé au titane, des impulsions extrêmement brèves. Alors, ça, c’est le spectre de fluorescence, ce n’est pas exactement le spectre d’émission stimulée, mais enfin il en quand même, il en est quand même assez proche. Alors, si je regarde, si je regarde les autres milieux amplificateurs dans, dans le, dans le domaine plus vers, vers l’infrarouge, alors le spectre à l’air plus large, mais c’est parce que c’est une illusion, c’est gradué ici en longueurs d’onde. En réalité, le spectre est, est plus étroit. Donc, on va produire des impulsions un peu plus longues, mais avec toujours aussi peu de cycles d’oscillation du champ électrique. Donc, vous voyez qu’au niveau matériau, et bien on dispose depuis maintenant quelques temps de, d’une famille de matériaux qui permettent, a priori, de produire des impulsions extrêmement brèves.
