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Des mesures spatio-temporelles extrêmes pour impulsions attoseconde de très haute intensité


​Des physiciens de l'Iramis et leurs partenaires sont parvenus à caractériser la compression spatio-temporelle d'impulsions attoseconde de très haute intensité, focalisées par réflexion sur un « miroir plasma ».  Avec une technique innovante de microscopie sans lentille, un gain d'un facteur dix a été observé par rapport aux caractérisations précédentes. 
Publié le 14 février 2022

Le « vide » de l'électrodynamique quantique est faussement calme. En permanence, des paires électron-positron y naissent et disparaissent 10-21 seconde plus tard. Serait-il possible un jour de « matérialiser » les deux particules en les séparant sous l'effet d'une impulsion surpuissante ? En principe oui, mais à condition d'éclairer le vide avec une puissance supérieure à 1029 W/cm2 (seuil de Schwinger), c'est-à-dire sept ordres de grandeur au-delà du record atteint avec les lasers femtoseconde (10-15 s) les plus puissants !

Des chercheurs de l'Iramis avaient montré en 2019, grâce à des simulations Particle In Cell 3D, qu'un « miroir plasma » peut comprimer une impulsion laser à haute intensité à la fois dans l'espace et le temps. Il restait à le démontrer…

Comment l'expérience se déroule-t-elle ? Les impulsions laser de haute intensité du laser UHI100 sont focalisées sur une lame de verre (le « miroir plasma ») dont la surface est instantanément ionisée. Les électrons issus de la lame oscillent à l'échelle du cycle optique, avec des vitesses proches de la vitesse de la lumière, produisant par effet Doppler des photons de longueurs d'onde beaucoup plus courtes que celle du laser incident (génération d'harmoniques d'ordre élevé). La surface du miroir s'incurve de manière parabolique sous l'effet de la « pression de radiation ». Plusieurs facteurs concourent à concentrer efficacement l'intensité lumineuse au foyer du miroir plasma : longueurs d'onde plus courtes, forme réfléchissante parabolique, compression temporelle par effet Doppler. 

La ptychographie à la rescousse…

Mais comment prouver cette concentration inédite de la lumière ? Les physiciens ont adapté une technique de microscopie sans lentille (ptychographie) pour caractériser l'impulsion laser au foyer du miroir plasma.

La ptychographie consiste à éclairer l'objet avec un laser et à enregistrer plusieurs figures de diffraction successives en déplaçant l'objet ; l'image de l'objet est reconstituée par itérations à partir des mesures d'intensité du rayonnement diffracté sur l'objet et de la phase des ondes déduites des interférences entre les différentes figures de diffraction.

Dans leur expérience, les chercheurs simulent le déplacement de l'objet à imager en faisant défiler des franges d'interférences produites à l'aide d'un deuxième laser, de plus faible intensité et décalé angulairement. Ils apportent ainsi la preuve que l'éclairement atteint 1019 W/cm2, soit un gain d'un facteur dix par rapport à l'impulsion incidente, avec une durée d'impulsion ramenée de 2,3 femtosecondes (10-15 s) à 450 attosecondes (10-18 s).

Ils accomplissent ainsi un pas supplémentaire en direction de l'exploration du vide au-delà du seuil d'éclairement de Schwinger, où la séparation des paires électron-positron deviendrait possible. pOURPoP

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