Impulsions térawatts en deux cycles : le laser à itterbium compressé à la limite
Contexte
Ce travail se situe à l'intersection de deux directions : d'une part, les recherches voisines (par exemple, [2606.07147] et [2605.17491]) développent des méthodes de post-compression dans des cellules multipass pour divers systèmes laser, et d'autre part, les travaux sur l'accélération laser-plasma exigent des impulsions de plus en plus courtes et puissantes. Les lasers à itterbium sont attrayants pour leur puissance moyenne élevée et leur évolutivité, mais leurs impulsions initiales sont trop longues (plusieurs centaines de femtosecondes) pour une utilisation directe en accélération. La post-compression est donc devenue un maillon clé. Ce travail comble une lacune : les démonstrations précédentes atteignaient soit une durée sub-deux-cycles avec une énergie moindre, soit une énergie plus élevée avec une durée plus longue, mais ne combinaient pas les deux paramètres à une cadence kilohertz.
Méthodes
Les impulsions d'un laser commercial MAGMA25 (18 mJ, 400 fs, 1 kHz) sont passées à travers deux cellules multipass en série. La première cellule (de type Herriott) est remplie d'argon à une pression de 140 mbar et assure 29 passages ; la seconde (de type matriciel) est remplie d'hélium à 500 mbar et assure 9 passages. L'élargissement spectral par automodulation de phase dans le gaz a été accompagné d'une compensation de dispersion par des miroirs chirpés : neuf miroirs ont compensé -1800 fs² après la première cellule, et une paire de miroirs supplémentaires -120 fs² après la seconde. Pour le diagnostic, on a utilisé un d-max (mesure du profil temporel), un spectromètre imageur (homogénéité spatio-spectrale) et un profileur de faisceau (tache focale).
Résultats
Après la compression en deux étages, la durée d'impulsion était de 6,2 fs (1,8 cycle optique à la longueur d'onde de 1030 nm), l'énergie de 12,5 mJ, ce qui donne une puissance crête de 1,4 TW. Le facteur de compression a atteint 65. L'homogénéité spatio-spectrale est élevée : le paramètre V dépasse 95 % au niveau de 50 % de l'intensité maximale et 90 % pour les spectrogrammes. La tache focale a une taille de 5,8 μm × 5,4 μm ; à l'intérieur de l'ellipse à 1/e², 83,4 % de l'énergie est contenue. L'intensité crête est estimée à 1,2×10¹⁹ W/cm², ce qui correspond à a0 = 3,0. La stabilité de pointage était de 0,18 μm (environ 3 % du diamètre du faisceau) sur 18 minutes.
Implications
Ce travail démontre qu'un laser à itterbium commercial peut être transformé en une source d'impulsions térawatts sub-deux-cycles grâce à un schéma en deux étages relativement compact. Contrairement aux travaux voisins, où la compression est souvent limitée à une seule cellule ou à des énergies plus faibles, ici un équilibre record pour les systèmes à itterbium post-compressés est atteint entre durée, énergie et cadence de répétition. Cela ouvre la voie à une utilisation pratique de ces lasers pour l'accélération laser-plasma d'électrons à haute cadence, ce qui est important pour des applications en médecine, en contrôle non destructif et en sources de rayonnement.
Développements futurs
Une réduction supplémentaire de la durée jusqu'à un cycle nécessiterait des miroirs à bande réfléchissante octave ou un étage de compression supplémentaire pour un contrôle plus fin de la phase spectrale. La montée en énergie est possible en utilisant des modes de Laguerre-Gauss d'ordre supérieur, qui répartissent la fluence plus uniformément et permettent de contourner la limitation de la densité d'énergie crête sur les miroirs. L'augmentation de la puissance moyenne nécessiterait des substrats de miroirs à haute conductivité thermique et un refroidissement actif.
Impact
Accélération laser-plasma d'électrons, génération de rayonnement secondaire (rayons X, gamma), études des processus ultrarapides dans la matière.
Prochaines étapes
Effectuer des mesures du contraste temporel des impulsions avec une grande dynamique, afin d'évaluer leur adéquation pour des expériences sensibles. Étudier la possibilité d'utiliser des modes d'ordre supérieur pour augmenter l'énergie sans augmenter l'encombrement.
Problèmes ouverts clés
Pour la physique laser, le problème clé non résolu reste l'obtention simultanée d'une durée extrêmement courte, d'une énergie élevée et d'une cadence de répétition élevée sans perte de qualité de faisceau. Ce travail montre que la post-compression en deux étages dans des cellules multipass peut s'approcher de cette limite pour les lasers à itterbium, mais les questions des effets thermiques lors de la montée en puissance et du contrôle de la phase de la porteuse restent ouvertes.
Une impulsion de 6,2 femtosecondes est si courte que la lumière ne parcourt que 1,86 micromètre pendant ce temps, soit moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.
Chiffres clés
- Durée d'impulsion: 6,2 fs (1,8 cycle optique)
- Énergie d'impulsion: 12,5 mJ
- Puissance crête: 1,4 TW
- Cadence de répétition: 1 kHz
- Potentiel vecteur normalisé: a0 = 3,0