Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde :
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Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde:des Plasmas au Redressement Optique dans les cristaux
Ciro D’Amico1, A. Houard2, B. Prade2, V. T. Tikhonchuk 3, A. Mysyrowicz2, E. Freysz1
1Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne, Université de Bordeaux 1, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France.
2Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS UMR 7639, Palaiseau, 91761 France 3Centre Lasers Intenses et Applications, Université de Bordeaux 1, CEA, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France.
PLAN
Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter
Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurso Impulsions THz produites par interaction laser-plasmao Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires
Technique de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz
Applications
Conclusions
C. D’Amico, JPU 2009
‘Gap’
La région du spectre électromagnétique dite THz
10cm 1mm 100nm10µm 1nm
THzMW IR UV Rayons-X Rayons-γOndes Radio
1013 Hz1011 Hz
photoniqueélectronique
C. D’Amico, JPU 2009
‘Gap’
La région du spectre électromagnétique dite THz
10cm 1mm 100nm10µm 1nm
THzMW IR UV Rayons-X Rayons-γOndes Radio
1013 Hz1011 Hz
Sources THz pulsées générées par des impulsions laser ultracourtes
photoniqueélectronique
C. D’Amico, JPU 2009
- Génération de couples électron-trou- Effets non linéaires du 2ème ordre- Effets non linéaires du 3ème ordre
- Photo-ionisation et effets ponderomoteurs
Opt
Interaction
THz
Méthode de mesure du champ électrique transitoire THz
I I + ε- ε
λ/4
WP
Sonde optique
Cristal EO (χ(2) ≠ 0 )
PD1 PD2
-Détection Synchrone
ZnTe (→ 4 THz)GaP (→ 11 THz)
…
La méthode Electro-Optique
C. D’Amico, JPU 2009
THz
C. D’Amico, JPU 2009
PLAN
Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter
Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurso Impulsions THz produites par interaction laser-plasmao Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires
Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz
Applications
Conclusions
Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs
Densité de porteurs de charge
-
+
GaAs
Esj-+
C. D’Amico, JPU 2009
THz
Champ THz transitoire
IR
-
+
GaAs
j-+
Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs
Densité de porteurs de charge
K. Reinman, ‘Table-top sources of ultrashort THz pulses’, Rep. Prog. Phys. 70, 1597 (2007)
Champ THz (champ lontain) pour différentes durées de vie des porteurs de charge
Δt = 100 fs
IR
C. D’Amico, JPU 2009
THz
Champ THz transitoire
C. D’Amico, JPU 2009
PLAN
Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter
Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurso Impulsions THz produites par interaction laser-plasmao Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires
Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz
Applications
Conclusions
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
1t 2t3t
cVg
I mpulsionautoguidée
Filamentation :
Sources THz par filamentation
C. D’Amico, JPU 2009
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
1t 2t3t
cVg
I mpulsionautoguidée
Filamentation :
Sources THz par filamentation
C. D’Amico, JPU 2009
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
1t 2t3t
cVg
I mpulsionautoguidée
Filamentation :
C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007)
Sources THz par filamentation
cZ
THzFilament
- +
Polarisationradiale
Mécanisme Transition-Cherenkov
C. D’Amico, JPU 2009
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
1t 2t3t
cVg
I mpulsionautoguidée
Filamentation :
densité de courant longitudinal
C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007)
Sources THz par filamentation
cZ
THzFilament
- +
Polarisationradiale
Mécanisme Transition-Cherenkov
C. D’Amico, JPU 2009
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
1t 2t3t
cVg
I mpulsionautoguidée
Filamentation :
densité de courant longitudinal
C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007)
Sources THz par filamentation
cZ
THzFilament
- +
Polarisationradiale
Mécanisme Transition-Cherenkov
C. D’Amico, JPU 2009
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
1t 2t3t
cVg
I mpulsionautoguidée
Filamentation :
densité de courant longitudinal
C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007)
Sources THz par filamentation
cZ
THzFilament
- +
Polarisationradiale
Mécanisme Transition-Cherenkov
C. D’Amico, JPU 2009
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
1t 2t3t
cVg
I mpulsionautoguidée
Filamentation :
densité de courant longitudinal
C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007)
Sources THz par filamentation
cZ
THzFilament
- +
Polarisationradiale
Mécanisme Transition-Cherenkov
C. D’Amico, JPU 2009
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
Canal ioniséBulle de lumière
autoguidée
fi lament
I mpulsion
1t 2t3t
cVg
I mpulsionautoguidée
Filamentation :
densité de courant longitudinal
C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007)
Sources THz par filamentation
cZ
THzFilament
- +
Polarisationradiale
Mécanisme Transition-Cherenkov
C. D’Amico, JPU 2009
Sources THz par filamentation (sources de plasma)
+- cTransition-Cherenkov, efficacité ≈ 10-9
C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 ( 2007)C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, 013015 ( 2008)
Amplification de la radiation Transition-Cherenkov
C. D’Amico, JPU 2009
Sources THz par filamentation (sources de plasma)
+- c
+- c
-
+
E
+- c
E
E
-+
Transition-Cherenkov, efficacité ≈ 10-9
C. D'Amico et al., Phys. Rev. Lett. 98, 235002 ( 2007)C. D'Amico et al., New. J. Phys. 10, 013015 ( 2008)
Transition-Cherenkov +
champ électrique transversale efficacité ≈ 10-8 - 10-7
A. Houard et al., Phys. Rev. Lett. 100, 255006 ( 2008)
Transition-Cherenkov +
champ électrique longitudinale efficacité ≈ 10-6 (@ 10 kV)
Yi Liu et al., Appl. Phys. Lett. 93, 051108 ( 2008)
Amplification de la radiation Transition-Cherenkov
C. D’Amico, JPU 2009
Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma
IR
ω
ω + 2ω
BBO
C. D’Amico, JPU 2009
Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma
THzω
ω2ω - Ω
Ω (THz)
χ(3)
P(3)(Ω)=ε0χ(3)(Ω=ω+ω-2ω+Ω;-2ω+Ω,ω,ω)E*(2ω-Ω)E(ω)E(ω)(mélange à quatre-ondes, processus non linéaire du 3eme ordre)
IR
ω
ω + 2ω
BBO
C. D’Amico, JPU 2009
Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma
THzω
ω2ω - Ω
Ω (THz)
χ(3)
P(3)(Ω)=ε0χ(3)(Ω=ω+ω-2ω+Ω;-2ω+Ω,ω,ω)E*(2ω-Ω)E(ω)E(ω)(mélange à quatre-ondes, processus non linéaire du 3eme ordre)
IR
ω
ω + 2ω
BBO
C. D’Amico, JPU 2009
C. D’Amico, JPU 2009
PLAN
Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter
Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurso Impulsions THz produites par interaction laser-plasmao Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires
Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz
Applications
Conclusions
Redressement optique dans les cristaux non linéaires
P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I(redressement optique, processus non linéaire ordre 2)
IR THz
Cristal
ω
Ω (THz)
χ(2)
ω - Ω
C. D’Amico, JPU 2009
Redressement optique dans les cristaux non linéaires
P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I(redressement optique, processus non linéaire ordre 2)
IR THz
Cristal
ω
Ω (THz)
χ(2)
ω - Ω
Accord de phaseVφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR
C. D’Amico, JPU 2009
Redressement optique dans les cristaux non linéaires
P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I(redressement optique, processus non linéaire ordre 2)
IR THz
Cristal
ω
Ω (THz)
χ(2)
ω - Ω
Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR )
THzV
IRV
I R
ZnTe
c
Accord de phaseVφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR
C. D’Amico, JPU 2009
Redressement optique dans les cristaux non linéaires
P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I(redressement optique, processus non linéaire ordre 2)
IR THz
Cristal
ω
Ω (THz)
χ(2)
ω - Ω
Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR )
THzV
IRV
I R
ZnTe
c
Accord de phaseVφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR
C. D’Amico, JPU 2009
Cristal: LiNbO3 (n φ,THz ≈ 2ng,IR )
Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ,THz /ng,IR) ≈ 63°
THzVIRV
I R
LiNbO3
Redressement optique dans les cristaux non linéaires
P(2)(Ω) = ε0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω;-ω+Ω,ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I(redressement optique, processus non linéaire ordre 2)
Accord de phaseVφ,THz= Vg,IR → n φ,THz = ng,IR
IR THz
Cristal
ω
Ω (THz)
χ(2)
ω - Ω
THz
LiNbO3
IR
L
Réseau dediffraction
(N traits/mm)
α
Technique pour incliner le front d’onde
Cristal: ZnTe (n φ,THz ≈ ng,IR )
THzV
IRV
I R
ZnTe
c
Cristal: LiNbO3 (n φ,THz ≈ 2ng,IR )
Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ,THz /ng,IR) ≈ 63°
THzVIRV
I R
LiNbO3
C. D’Amico, JPU 2009
Redressement optique dans les cristaux non linéairesProblème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3
Front d’onde IRIncliné sans distorsions
Front d’onde IRIncliné avec distorsions
Accord de phase
α
x x
z z
C. D’Amico, JPU 2009
Redressement optique dans les cristaux non linéairesProblème des distorsions du front d’onde dans le LiNbO3
Front d’onde IRIncliné sans distorsions
Front d’onde IRIncliné avec distorsions
Accord de phase
α
x x
z z
C. D’Amico, JPU 2009
Taux de conversion ≈ 10-2 1 photon (800 nm) → 3.7 photons (1 THz) !
THz
LiNbO3
IR N = 1200 l/mm
G = 1THz
LiNbO3
IR
G = 0.5
N = 2000 l/mmα
Taux de conversion ≈ 7∙10-4
Etude théorique: L. Palfalvi et al., Appl. Phys. Lett. 92, 171107 (2008)
Redressement optique dans les cristaux non linéaires
0 1 2 3 4 5 6
-0,5
0,0
0,5
1,0
C
ham
p E
lect
rique
(u.a
.)
temps (ps)0 1 2 3 4 5
1E-3
0,01
0,1
1
Am
plitu
de S
pect
rale
(u.a
.)
Fréquence (THz)
Génération dans le ZnTe, détection dans le ZnTe
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
-0,5
0,0
0,5
1,0
Cha
mp
Ele
ctriq
ue (u
.a.)
Temps (ps)0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
1E-3
0,01
0,1
1
A
mpl
itude
Spe
ctra
le (u
.a.)
Fréquence (THz)
Génération dans le st-LiNbO3, détection dans le ZnTe
C. D’Amico, JPU 2009
Taux de conversion10-5
Taux de conversion10-3-10-2
C. D’Amico, JPU 2009
PLAN
Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter
Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurso Impulsions THz produites par interaction laser-plasmao Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires
Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz
Applications
Conclusions
C. D’Amico, JPU 2009
J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003)
Train d’impulsions Opt. Impulsion THz2TF
Fréquences THz Fréquences THz
Avec les bonnes paramètres Δt, N
Δt, N cristal
Le principe …Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz
I mpulsions THz
z
Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides
Δr, N
Une technique récente (CPMOH)
C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009)C. D’Amico, JPU 2009
J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003)
Train d’impulsions Opt. Impulsion THz2TF
Fréquences THz Fréquences THz
Avec les bonnes paramètres Δt, N
Δt, N cristal
Le principe …Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz
Propagateur de Fresnel
Couplage spatio-temporelen champ intermédiaire
I mpulsions THz
z
Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides
Δr, N
Une technique récente (CPMOH)
C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009)C. D’Amico, JPU 2009
J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003)
Train d’impulsions Opt. Impulsion THz2TF
Fréquences THz Fréquences THz
Avec les bonnes paramètres Δt, N
Δt, N cristal
Le principe …Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz
Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz
R = 4 mm
R1 = 2 mmR2 = 4 mm
C. D’Amico, JPU 2009
Z = 4 cmI mpulsions THz
z
Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz
ThéorieExpérience
La source se comporte comme une
lentille de Fresnel
C. D’Amico, JPU 2009
C. D’Amico, JPU 2009
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Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter
Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurso Impulsions THz produites par interaction laser-plasmao Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires
Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz
Applications
Conclusions
Applications
10cm 1mm 100nm10µm 1nm
THzMW IR UV Rayons-X Rayons-γOndes Radio
Vibrations intramoléculaires
Vibrations intermoléculaires
Transitions électroniques
Rotations moléculaires
C. D’Amico, JPU 2009
10cm 1mm 100nm10µm 1nm
THzMW IR UV Rayons-X Rayons-γOndes Radio
Vibrations intramoléculaires
Vibrations intermoléculaires
Transitions électroniques
Rotations moléculaires
le cristal β-BaB2O4 (BBO)
J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008)
Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz
C. D’Amico, JPU 2009
Applications
10cm 1mm 100nm10µm 1nm
THzMW IR UV Rayons-X Rayons-γOndes Radio
Vibrations intramoléculaires
Vibrations intermoléculaires
Transitions électroniques
Rotations moléculaires
le cristal β-BaB2O4 (BBO)
J. Liu, X. Guo, J. Dai, X.-C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008)
Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz
Détection en temps réel de l’évolution du champ électrique THz (accès direct à l’amplitude et à la phase des impulsions)
On peut extraire plus d’information quedans le cas optique!
Originalité par rapport à la Spectroscopie dans le domaine optique
C. D’Amico, JPU 2009
Applications
CONCLUSIONS
4 techniques pour la génération d’impulsions THz par lasers ultracourts o Les antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs o Plasma: filamentation femtosecondeo Plasma: Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) o Le redressement optique: ZnTe, LiNbO3 (champ THz intense)
Technique de mise en forme spectrale e spatiale dans le redressement optiqueo Mise en forme spatiale du faisceau de pompe (à l’aide d’un masque de phase CL)o Control du couplage Spatio-temporel en champ intermédiaire
Application à l’optique THz non linéaire
C. D’Amico, JPU 2009
Merci