Une fibre creuse pour démocratiser l'attoscience

Générer des impulsions de lumière ultra-puissantes et de plus en plus brèves, de l'ordre de quelques femtosecondes ou même en deçà (attosecondes), est devenu indispensable pour mener des recherches à l'échelle atomique et moléculaire. La technologie utilisée pour générer ces impulsions "éclairs" reste difficile et encombrante à déployer. Des chercheurs du laboratoire XLIM (CNRS/Université de Limoges), en collaboration avec l'Université de Vienne, sont parvenus à produire ce type d'impulsions dans un dispositif compact, à bas coût, en utilisant une fibre optique creuse spéciale de quelques centimètres de longueur seulement. Ces résultats ont été publiés dans Nature Communications.



L'attoscience traite de l'étude des processus fondamentaux de la matière à une échelle temporelle plus petite que la femtoseconde (1fs = 1 milliardième du millionième de la seconde = 10^-15 s). Elle repose sur l'utilisation d'impulsions laser très intenses (de l'ordre de plusieurs millions de milliard de Watt au cm²) et d'une durée extrêmement brève, ne dépassant pas les quelques femtosecondes. Générer ces impulsions est la clé de voute pour sonder et contrôler des dynamiques ultra-rapides de la matière, comme pour suivre ou orienter le mouvement de l'électron d'un atome dans son orbite. Ces processus interviennent dans un large panel d'applications: nano-électronique, photovoltaïque, supraconductivité, technologies de la santé telles que l'accélération d'électrons pour l'imagerie de molécules complexes, ou l'accélération de protons pour le traitement du cancer. Actuellement, ces impulsions "éclairs" sont générées par une grosse chaine de lasers qui nécessite une salle de plus de 40 m² ! La production des impulsions y suit une séquence en trois étapes comprenant autant de dispositifs principaux: un oscillateur amplifié génère les impulsions avec une durée typique de quelques centaines à quelques dizaines de femtosecondes ; un dispositif d'élargissement spectral puis un dispositif de contrôle de dispersion compriment ensuite les impulsions en dessous de 10 fs.

Des chercheurs du groupe de recherche GPPMM (1), au sein du laboratoire XLIM (CNRS/Université de Limoges), et de l'Université de Vienne en Autriche, ont réussi à remplacer les pôles d'élargissement spectral et de compression de cette chaine par une fibre optique creuse de quelques centimètres de longueur seulement. Cette fibre optique est une fibre microstructurée spéciale appelée "Kagome hollow-core photonic crystal fibre (HC-PCF)". Sa microstructure a été mise au point spécialement pour réussir à guider une impulsion d'entrée très intense (de plusieurs millions de millions de Watt au cm²), d'une durée de 80 fs et émettant dans l'infrarouge (longueur d'onde de ~2µm), puis pour ensuite élargir ce spectre et aussitôt l'auto-comprimer jusqu'à 4 fs. Cette fibre a été entièrement réalisée au sein du GPPMM, équipe pionnière dans la conception et la fabrication de fibres optiques creuses et dans leur fonctionnalisation pour diverses applications, grâce à l'introduction d'un milieu gazeux au cœur des fibres.

En offrant des sources laser haute intensité et ultra-brèves, compactes et plus abordables, ces résultats permettent d'envisager une véritable démocratisation de l'attoscience et renforcent les chances de découvertes nouvelles dans ce champ toujours en friche.

Notes:

(1) GPPMM: Gas-Phase Photonic and Microwave Materials group

Références:
A strong-field driver in the single-cycle regime based on self-compression in a kagome fibre
T. Balciunas, C. Fourcade-Dutin, G. Fan, T. Witting, A.A. Voronin, A.M. Zheltikov, F. Gerome, G.G. Paulus,
A. Baltuska & F. Benabid
Nature Communications, Nature Communications 6, Article number:6117 (doi:10.1038/ncomms7117) publié en ligne le 25 janvier 2015
http://www.nature.com/ncomms/2015/150127/ncomms7117/full/ncomms7117.html#supplementary-information

Pour en savoir plus, site du laboratoire XLIM: http://gppmm.xlim.fr/