Les principes fondamentaux des lasers à impulsions ultracourtes

Auteurs : Olivia Wheeler

Table des matières

Imaginez que vous essayez de prendre une photo d'un colibri avec votre téléphone portable. Au moment où vous appuyez sur le bouton de capture, le colibri s'envole en ne laissant qu'une image floue sur votre écran. L'appareil photo de votre téléphone n'est tout simplement pas assez rapide pour capturer une image nette du colibri en vol.

Des frustrations et des limitations similaires ont motivé la communauté scientifique à développer des lasers à impulsions femtosecondes à picosecondes (10^-15 - 10^-12 secondes). Au lieu de capturer le vol d'un colibri, ces lasers sont utilisés pour capturer des événements beaucoup plus rapides tels que les vibrations moléculaires, les mouvements électroniques et même les phénomènes quantiques.^1,2,3 À des échelles de temps d'un millionième de milliardième de seconde, les lasers à impulsions ultracourtes (ou « lasers ultrarapides ») élargissent notre accès aux phénomènes physiques fondamentaux et révolutionnent les processus industriels. Comprendre les caractéristiques uniques des lasers à impulsions ultracourtes, les principaux défis auxquels sont confrontés ces types de systèmes et les solutions disponibles pour relever ces défis permet aux concepteurs de systèmes de choisir les bonnes optiques pour les lasers à impulsions ultracourtes et de créer des optiques ultrarapides réussies.

Les caractéristiques uniques des lasers à impulsions ultracourtes

Les durées d'impulsion ultracourtes des lasers ultrarapides confèrent à ces systèmes des propriétés uniques qui les distinguent des lasers à impulsion plus longue ou à onde continue (CW). Pour générer des impulsions aussi courtes, il est nécessaire de disposer d'une large bande spectrale. La forme de l'impulsion et la longueur d'onde centrale définissent la largeur de bande minimale requise pour générer une impulsion d'une durée donnée. En général, cette relation est décrite par le produit temps/largeur de bande (TBP), qui découle du principe d'incertitude. Le TBP d'une impulsion avec une distribution gaussienne est donnée par :

Δτ est la durée temporelle de l'impulsion et Δν est la largeur de bande de la fréquence.⁴ Fondamentalement, cette équation indique qu'il existe une relation réciproque entre la largeur de bande spectrale et la durée de l'impulsion, ce qui signifie que lorsque la durée de l'impulsion diminue, la largeur de bande nécessaire pour générer cette impulsion augmente. La Figure 1 montre la largeur de bande minimale requise pour prendre en charge plusieurs durées d'impulsion différentes.

Outre les larges bandes spectrales, une autre caractéristique des durées d'impulsion ultracourtes est leur puissance de crête incroyablement élevée, qui, bien que très bénéfique dans de nombreuses applications, peut poser des problèmes particuliers. Pour situer le contexte, examinons la différence entre la puissance de sortie maximale d'un laser à ondes entretenues de 10 W et celle d'un laser ultrarapide de 10 W ayant une durée d'impulsion de 150 s et une fréquence de répétition de 80 MHz. Les propriétés de ce laser ultrarapide théorique sont communes à de nombreux lasers ultrarapides disponibles dans le commerce. Pour le laser à ondes entretenues, la puissance moyenne et la puissance de crête sont identiques ; le laser émet toujours 10 W, ou 10 J/s. Pour le laser ultrarapide, la puissance moyenne est toujours de 10 W, comme pour le laser à ondes entretenues. Cependant, le laser ultrarapide n'émet cette puissance moyenne de 10 W que sur une courte période. La Figure 2 montre la différence significative entre la puissance moyenne et la puissance de crête.

Pour le laser ultrarapide, la puissance moyenne de 10 W est répartie sur les 80 millions d'impulsions émises chaque seconde en fonction de la fréquence de répétition. À première vue, l'énergie d'impulsion sub-microjoule de ce laser peut sembler faible et insignifiante. Cependant, si l'on tient compte du fait que cette énergie est condensée en seulement 150 fs dans le temps, on obtient une puissance de crête massive de plus de 800 000 W. C'est plus de quatre ordres de grandeur que la puissance moyenne ! Si ces puissances de crête immensément élevées et ces courtes durées d'impulsion sont les caractéristiques mêmes qui ont permis aux lasers ultrarapides de révolutionner un large éventail d'applications, ces caractéristiques sont également à l'origine de certains des défis techniques uniques que pose l'utilisation des lasers ultrarapides.

Défis techniques des lasers à impulsions ultracourtes

Les larges bandes spectrales, les puissances de crête élevées et les courtes durées d'impulsion des lasers ultrarapides doivent être correctement gérées dans votre système. En règle générale, le défi le plus simple à relever est celui de la large sortie spectrale du laser. Si, dans le passé, vous avez surtout travaillé avec des lasers à impulsions plus longues ou des lasers à ondes entretenues, il se peut que votre inventaire actuel de composants optiques ne reflète pas ou ne transmette pas toute la largeur de bande d'une impulsion ultracourte. Edmund Optics^® dispose d'une large gamme de composants optiques ultrarapides spécialement conçus pour ces systèmes ultra-rapides exigeants.

Seuil de dommage laser (LDT)

Le seuil de dommage laser (LDT) des optiques ultrarapides est également très différent et plus difficile à déterminer que celui des sources laser plus conventionnelles (Figure 3). Lors de l'approvisionnement en optiques pour les lasers à impulsion nanoseconde, les valeurs de LDT sont généralement de l'ordre de 5-10 J/cm². Pour les optiques ultrarapides, des valeurs aussi importantes sont pratiquement inconnues, car les valeurs de LDT seront plus probablement de l'ordre de <1 J/cm², généralement plus proches de 0,3 J/cm². Cette variation spectaculaire de l'ampleur de la LDT pour différentes durées d'impulsion est le résultat des mécanismes de dommages laser basés sur la durée d'impulsion qui entrent en jeu. Pour les lasers nanosecondes ou ceux dont les impulsions sont encore plus longues, le principal mécanisme à l'origine des dommages est le chauffage thermique. Le traitement et le substrat des optiques absorbent les photons incidents et s'échauffent. Cela peut entraîner une déformation du réseau du matériau. Les effets tels que la dilatation thermique, la fissuration, la fusion et la déformation du réseau sont des mécanismes de dommages thermiques courants pour ces types de sources laser.⁵

Cependant, pour les lasers ultrarapides, la durée de l'impulsion elle-même est plus rapide que l'échelle de temps du transfert de chaleur du laser au réseau du matériau, de sorte que les effets thermiques ne sont pas la cause principale des dommages induits par le laser (Figure 4). Au lieu de cela, les puissances de crête élevées des lasers ultrarapides déplacent le mécanisme de dommage vers des processus non linéaires tels que l'absorption multiphotonique et l'ionisation.⁶ C'est également la raison pour laquelle on ne peut pas simplement réduire l'échelle du classement LDT pour les impulsions nanosecondes à celle des impulsions ultrarapides, car les mécanismes physiques de dommage sont différents. Pour cette raison, la meilleure optique pour votre application spécifique serait celle dont l'indice de LDT est suffisamment élevé et qui a été obtenue dans les mêmes conditions d'utilisation telles que la longueur d'onde, la durée d'impulsion et la fréquence de répétition des impulsions. Les optiques testées dans des conditions différentes ne seront pas représentatives de la performance réelle des mêmes optiques dans votre système.

Dispersion et propagation des impulsions : Dispersion de retard de groupe

L'un des défis techniques les plus difficiles à relever lors de l'utilisation de lasers ultrarapides consiste à maintenir les durées d'impulsion ultracourtes initialement émises par le laser. Les impulsions ultracourtes sont très sensibles à la distorsion temporelle qui allonge les impulsions. Cet effet s'aggrave à mesure que la durée de l'impulsion initiale se raccourcit. Alors qu'un laser ultrarapide peut émettre des impulsions d'une durée de 50 fs, le fait de relayer cette impulsion vers une position cible à l'aide de miroirs et de lentilles, ou même simplement de transmettre l'impulsion dans l'air, a le potentiel d'élargir l'impulsion dans le temps.

Cette distorsion temporelle est quantifiée à l'aide d'une métrique appelée dispersion de retard de groupe (GDD), également connue sous le nom de dispersion de second ordre. En réalité, il existe des termes de dispersion d'ordre supérieur qui peuvent également affecter le profil temporel de l'impulsion laser ultrarapide, mais dans la pratique, il suffit souvent d'examiner l'impact de la GDD. La GDD est une valeur qui dépend de la fréquence et qui, pour un matériau donné, s'échelonne linéairement avec l'épaisseur. Les optiques à transmission telles que les lentilles, les fenêtres et les assemblages d'objectifs ont généralement des valeurs GDD positives, ce qui indique que l'impulsion une fois comprimée peut quitter le composant optique à transmission avec une durée d'impulsion plus longue que celle émise par le système laser. Les composantes de basse fréquence (c'est-à-dire de plus grande longueur d'onde) se déplacent plus rapidement que les composantes de haute fréquence (c'est-à-dire de plus courte longueur d'onde) de l'impulsion. Au fur et à mesure que l'impulsion traverse de plus en plus de matière, les longueurs d'onde de l'impulsion continueront à s'étirer de plus en plus dans le temps. Pour des durées d'impulsion plus courtes, et donc des bandes passantes plus larges, cet effet est encore plus important et peut conduire à une distorsion temporelle significative de l'impulsion.

Pour les impulsions plus longues, d'une durée de l'ordre de la nanoseconde, voire de la picoseconde, la GDD n'est pas un problème majeur. Cependant, pour les impulsions femtosecondes plus courtes, même un morceau de N-BK7 de 10 mm d'épaisseur sur le trajet du faisceau peut élargir une impulsion de 50 fs centrée à 800 nm de plus de 12% ! Cela équivaut à peu près à avoir deux fenêtres ou filtres sur le trajet du faisceau

L'impact de la GDD sur votre application dépend de plusieurs facteurs, notamment la durée de l'impulsion d'entrée (τ_entrée), la fréquence centrale (ou longueur d'onde) et le matériau dans lequel l'impulsion se propage. L'étirement temporel dû à la GDD est décrit par

L'équation 1 montre clairement que les durées d'impulsion plus courtes seront élargies de manière plus significative par rapport aux durées d'impulsion d'entrée plus longues pour la même valeur de GDD. C'est pourquoi la GDD n'est pas abordée dans le contexte des impulsions nanosecondes ou picosecondes. Par exemple, il faudrait 20 000 fs² de GDD pour élargir une impulsion de 1 ps de seulement 0,2%. L'exemple du paragraphe suivant montre que cela équivaudrait à propager une impulsion de 1030 nm à travers plus d'un mètre de silice fondue.

L'indice de réfraction d'un matériau dépend de la fréquence de la lumière qui le traverse, et la GDD a une dépendance similaire à l'indice de réfraction. Lors de la sélection d'optiques de transmission et à réfraction pour un système ultrarapide, il est souvent recommandé d'utiliser de la silice fondue, qui présente l'une des valeurs de GDD les plus faibles dans les gammes de longueurs d'onde du visible et du proche infrarouge. Par exemple, la propagation d'une impulsion de 1030 nm à travers 1 mm de silice fondue générera ~19 fs² de GDD, mais 1 mm de SF11 conduira à une GDD de plus de 125 fs² à la même longueur d'onde.^7,8 Les bases de données sur l'indice de réfraction, telles que refractiveindex.info, sont des ressources utiles pour déterminer quel matériau est le meilleur choix pour votre optique, ainsi que la quantité de GDD que vous accumulez dans votre chemin optique.

En raison de cette tendance à la GDD positive et à la distorsion temporelle, il est fortement recommandé d'utiliser des optiques ultrarapides spécialisées qui confèrent une GDD supplémentaire minime, voire nulle, et réduisent donc les risques d'allongement de la durée de l'impulsion.

Comment savoir si vous avez besoin d'une compression d’impulsions ?

Quand est-il nécessaire de (re)comprimer l'impulsion laser ? Les images floues dans les applications d'imagerie ultrarapide telles que la microscopie multiphotonique indiquent que les impulsions peuvent s'étirer dans le temps. Dans l'usinage par laser ultrarapide, l'étirement des impulsions peut conduire à des coupes moins précises et à une précision moindre. L'allongement de la durée de l'impulsion diminue la probabilité d'interactions multiphotoniques, réduisant ainsi l'efficacité d'un système ultrarapide. Bien qu'il soit impossible de fournir des règles strictes pour chaque situation, l'exemple de calcul ci-dessous permet de démontrer certaines bonnes pratiques pour déterminer si la compression de l’impulsion est nécessaire.

Considérons une installation de microscopie multiphotonique avec le trajet du faisceau illustré dans la Figure 5.

Une approximation de premier ordre de l'allongement de l'impulsion peut être obtenue en additionnant la contribution à la GDD de tous les éléments du système avant que le laser n'atteigne l'échantillon. Supposons que les principaux facteurs de dispersion soient l'expanseur de faisceau, le filtre dichroïque et l'objectif de mise au point. Nous ne tiendrons pas compte de l'impact des miroirs du scanner, car ils sont généralement constitués de traitements métalliques à faible GDD. Si l'impulsion est centrée sur une longueur d'onde de 1030 nm, ce système pourrait facilement ajouter plus de 600 fs² de GDD.

La nécessité de comprimer ou non les impulsions dans votre système dépend de la durée de l'impulsion d'entrée et des besoins spécifiques de votre application. Si l'on part d'une impulsion de 150 fs, la transmission à travers l'optique aura un effet négligeable sur la durée de l'impulsion. Toutefois, si votre application exige une résolution temporelle qui n'est accessible qu'avec une impulsion laser de 10 fs, cette quantité de GDD étendrait votre impulsion initiale à environ 167 fs. Dans ce cas-là, une recompression est nécessaire. Ces détails exacts dépendent fortement de la trajectoire du faisceau et de l'application. Pour obtenir des conseils sur le choix des meilleurs composants optiques pour votre durée d'impulsion et votre application, veuillez nous contacter.

Méthodes de compression des impulsions

Dans le cas où vous devez (re)comprimer vos impulsions laser ultrarapides, il existe plusieurs approches différentes. Les sections ci-dessous contiennent un résumé, y compris les avantages et les inconvénients, de plusieurs techniques courantes de (re)compression d'impulsions.

Prismes et réseaux de compression

Les prismes compriment les durées des impulsions ultrarapides en appliquant un retard dépendant de la fréquence aux diverses composantes de fréquence de l'impulsion en raison de la dispersion, ou de la différence d'indice de réfraction subie par les différentes longueurs d'onde (Figure 6). La différence de chemin optique qui en résulte aligne les différentes longueurs d'onde de l'impulsion dans le temps. Les réseaux de compression compriment les impulsions en utilisant un mécanisme similaire, mais ils s'appuient sur la diffraction plutôt que sur la réfraction pour traiter les longueurs d'onde différemment et recomprimer l'impulsion. Cependant, les prismes ainsi que les réseaux de compression peuvent être difficiles à aligner et ils peuvent appliquer une dispersion d'ordre supérieur aux impulsions, ce qui déforme davantage leurs profils temporels.

Miroirs de compression d'impulsions : Miroirs chirpés

Les miroirs chirpés sont l'un des deux types de miroirs compresseurs d'impulsions dont nous allons parler. Leur fonctionnement repose sur la création d’une profondeur de pénétration dans le traitement du miroir qui dépend de la longueur d'onde (Figure 7). À l'instar des prismes et réseaux de compression, les miroirs chirpés retardent certaines longueurs d'onde différemment par rapport à d'autres. Cet effet est dû au fait que certaines longueurs d'onde pénètrent plus profondément dans le traitement. La dispersion positive initiale est corrigée et toutes les longueurs d'onde finissent par émerger du traitement en même temps. À ce stade, l'impulsion est recomprimée. Les miroirs chirpés sont généralement caractérisés par de fortes oscillations de la GDD, ils doivent donc être utilisés en paires de miroirs chirpés complémentaires pour obtenir une sortie GDD semi-plate.

Par exemple, une paire de miroirs chirpés serait un bon choix pour compenser une petite quantité de GDD ou pour passer d'une configuration à l'autre, comme entre un laser Ti:saphir et un laser dopé à l'Yb. La Figure 8 montre un exemple de tracé GDD d'une paire de miroirs complémentaires chirpés, où "L" et "S" indiquent les réponses des éléments individuels de la paire et "∑" leur réponse combinée.

Miroirs de compression d'impulsions : Miroirs hautement dispersifs

Les miroirs hautement dispersifs combinent la profondeur de pénétration dépendant de la fréquence des miroirs chirpés avec un effet de multi-résonance pour produire des niveaux plus importantes de GDD avec moins d'oscillations. Bien que les bandes passantes couvertes par les miroirs hautement dispersifs puissent être légèrement plus étroites que celles des méthodes évoquées ci-dessus, de nombreux modèles de miroirs hautement dispersifs permettent d'atteindre des réflectivités extrêmement élevées sur toute leur bande passante spécifiée (Figure 9).

Les miroirs hautement dispersifs sont des options idéales pour compenser une quantité élevée de GDD dans un système fixe. Des exemples de courbes de réflectivité et de GDD pour un miroir à réflectivité élevée sont présentés dans les Figures 10 et 11..

Le choix du moment et de la manière de recomprimer les impulsions laser ultra-courtes dépend fortement de l'application, mais une connaissance de base des différentes méthodes et de leurs avantages et inconvénients vous donnera une longueur d'avance. Là encore, contactez-nous pour savoir quelle est la meilleure méthode de compression des impulsions pour votre système.

Les applications des lasers à impulsions ultracourtes

Spectroscopie

Depuis l'introduction des sources laser ultrarapides, la spectroscopie est l'une de leurs principales applications. En réduisant la durée de l'impulsion à des femtosecondes, voire des attosecondes, des processus dynamiques en physique, en chimie et en biologie qu'il était historiquement impossible d'observer sont désormais accessibles. L'un de ces processus clés est le mouvement atomique, dont l'observation a permis d'améliorer la compréhension scientifique de processus fondamentaux tels que les vibrations moléculaires, la dissociation moléculaire et le transfert d'énergie dans les protéines photosynthétiques.^9,10

Imagerie biologique

Les puissances de crête élevées des lasers ultrarapides soutiennent les processus non linéaires qui améliorent la résolution dans l'imagerie biologique, comme dans la microscopie multiphotonique (Figure 12). Dans les systèmes multiphotoniques, deux photons doivent se chevaucher à la fois dans l'espace et dans le temps pour générer un signal non linéaire à partir du milieu biologique ou de la cible fluorescente. Ce mécanisme non linéaire augmente la résolution de l'imagerie en réduisant considérablement le signal d'imagerie par fluorescence de fond qui entache les études menées avec des processus à photon unique.¹¹ La Figure 13 illustre cette réduction du signal de fond. La zone d'excitation plus petite de la microscopie multiphotonique permet également d'éviter la phototoxicité et de minimiser les dommages causés à l'échantillon.

Usinage de matériaux au laser

Les sources laser ultrarapides ont également révolutionné le micro-usinage et l’usinage des matériaux au laser en raison des modes uniques d'interaction des impulsions ultracourtes avec les matériaux. Comme nous l'avons mentionné précédemment lors de l'examen du LDT, les durées d'impulsion ultrarapides sont plus rapides que l'échelle de temps de la diffusion thermique dans le réseau d'un matériau. Par rapport aux lasers à impulsions de l'ordre de la nanoseconde, les lasers ultra-rapides génèrent une zone affectée par la chaleur nettement plus petite, ce qui se traduit par une perte de matière réduite au niveau de la tranchée et un usinage plus précis.¹² Ce principe s'applique également aux applications médicales, où la précision accrue des découpes laser ultrarapides permet de diminuer les dommages causés aux tissus environnants et d'améliorer l'expérience du patient lors d'une chirurgie au laser.¹³

Impulsions attosecondes : L'avenir des lasers à impulsions ultracourtes

Au fur et à mesure que la recherche se poursuit pour faire progresser les lasers à impulsions ultracourtes, des sources nouvelles et améliorées avec des durées d'impulsion encore plus courtes sont mises au point. Afin de mieux comprendre les processus physiques encore plus rapides, de nombreux chercheurs se concentrent sur la génération d'impulsions attosecondes – des impulsions de l'ordre de 10^-18 secondes dans la région des longueurs d'onde de l'ultraviolet extrême (XUV). Les impulsions attosecondes permettent le suivi par laser des mouvements électroniques et améliorent notre compréhension de la structure électronique et de la mécanique quantique.¹⁴ Bien que l'intégration des lasers XUV à attoseconde dans les processus industriels n'ait pas encore connu un essor significatif, les recherches en cours et les progrès réalisés dans ce domaine permettront très certainement à cette technologie de sortir des laboratoires pour s'imposer dans les usines, comme cela a été le cas pour les sources laser à femtoseconde et à picoseconde.

Composants optiques standards pour lasers ultrarapides

• Optiques de compression d'impulsions (miroirs hautement dispersifs, miroirs chirpés, réseaux et prismes)
• Objectifs, filtres, polariseurs, etc.
• Objectifs réfléchissants et expanseurs de faisceau

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• Traitements laser ultrarapide en argent amélioré économiques avec R>99% et une GDD aussi basse que 0 ±20 fs² sur les longueurs d'onde ultrarapides courantes

EN SAVOIR PLUS

Références

1. Bredenbeck et al. “Labeling Vibrations by Light: Ultrafast Transient 2D-IR Spectrosocpy Tracks Vibrational Modes during Photoinduced Charge Transfer.” J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5, 990-991
2. Camargo et al. “Visualizing Ultrafast Electron Transfer Processes in Semiconductor-Metal Hybrid Nanoparticles: Toward Excitonic-Plasmonic Light Harvesting.” Nano Lett. 2021, 21, 3, 1461-1468.
3. Maiuri et al. “Ultrafast Spectroscopy: State of the Art and Open Challenges.” J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 3-15.
4. Lazaridis et al. “Time-bandwidth product of chirped sech2 pulses: application to phase-amplitude-coupling factor measurement.” Opt. Lett. 1995, 20, 10, 1160-1162.
5. Wood, R. "Laser-Induced Damage by Thermal Effects". Laser-Induced Damage in Optical Materials. 2014, 9-24.
6. Jing et al. “Calculation of femtosecond pulse laser induced damage threshold for broadband antireflective microstructure arrays.” Optics Express. 2009, 17, 26, 24137-24152.
7. I. H. Malitson. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica, J. Opt. Soc. Am. 55, 1205-1208 (1965).
8. SCHOTT Zemax catalog 2017-01-20b (obtained from http://www.schott.com)
9. Geßner et al. “Femtosecond Multidimensional Imaging of a Molecular Dissociation.” Science Reports. 2006, 311, 219-222.
10. Zigmantas et al. “Ultrafast laser spectroscopy uncovers mechanisms of light energy conversion in photosynthesis and sustainable energy materials.” Chem. Phys. Rev. 2022, 3, 041303.
11. Sheppard, C. J. R. “Multiphoton microscopy: a personal historical review, with some future predictions.” J. Biomed. Opt. 202, 1, 014511.
12. Phillips et al. “Ultrafast laser processing of materials: a review.” Advances in Optics and Photonics. 2015, 7, 4, 684-712.
13. Hoy et al. “Clinical Ultrafast Laser Surgery: Recent Advances and Future Directions.” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014, 20, 7100814.
14. Li et al. “Attosecond science based on high harmonic generation from gases and solids.” Nature Comm. 2020, 11, 2748.

Plus de ressources

• Note d’Application : Dispersion ultrarapide
• Note Application : Miroirs hautement dispersifs
• Enregistrement du webinaire : Applications des lasers à impulsions ultracourtes - La révolution des impulsions courtes
• Enregistrement du webinaire : Choisir les bons lasers et composants optiques pour la microscopie ultrarapide
• Enregistrement du webinaire : Optiques ultrarapides : défis et solutions
• Note d'application : Ultrafast Lasers – The Basic Principles of Ultrafast Coherence
• Note d’Application : LIDT for Ultrafast Lasers