Sources THz pulses produites par lasers femtoseconde des

Sources THz pulsées produites par lasers femtoseconde: des Plasmas au Redressement Optique dans les cristaux Ciro D’Amico 1, A. Houard 2, B. Prade 2, V. T. Tikhonchuk 3, A. Mysyrowicz 2, E. Freysz 1 1 Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne, Université de Bordeaux 1, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France. 2 Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA, Ecole Polytechnique, CNRS UMR 7639, Palaiseau, 91761 France 3 Centre Lasers Intenses et Applications, Université de Bordeaux 1, CEA, CNRS UMR 5798, Talence, 33405 France.

PLAN v Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter v Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires v Technique de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz v Applications v Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

La région du spectre électromagnétique dite THz MW Ondes Radio THz 1011 Hz 10 cm électronique IR UV Rayons-X Rayons-γ 1013 Hz 1 mm ‘Gap’ 10µm 100 nm 1 nm photonique C. D’Amico, JPU 2009

La région du spectre électromagnétique dite THz MW Ondes Radio THz 1011 Hz 10 cm électronique IR UV Rayons-X Rayons-γ 1013 Hz 1 mm ‘Gap’ 10µm 100 nm 1 nm photonique Sources THz pulsées générées par des impulsions laser ultracourtes - Génération de couples électron-trou - Effets non linéaires du 2ème ordre - Effets non linéaires du 3ème ordre - Photo-ionisation et effets ponderomoteurs C. D’Amico, JPU 2009

Méthode de mesure du champ électrique transitoire THz La méthode Electro-Optique THz Sonde optique Cristal EO (χ(2) ≠ 0 ) Zn. Te (→ 4 THz) Ga. P (→ 11 THz) … λ/4 WP I- ε PD 1 - PD 2 I+ε Détection Synchrone C. D’Amico, JPU 2009

PLAN v Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter v Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires v Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz v Applications v Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs THz Densité de porteurs de charge Champ THz transitoire C. D’Amico, JPU 2009

Les Antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs THz Densité de porteurs de charge Champ THz transitoire Champ THz (champ lontain) pour différentes durées de vie des porteurs de charge Δt = 100 fs K. Reinman, ‘Table-top sources of ultrashort THz pulses’, Rep. Prog. Phys. 70, 1597 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

PLAN v Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter v Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires v Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz v Applications v Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al. , Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al. , Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al. , Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al. , Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al. , Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation C. D'Amico et al. , Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation (sources de plasma) Amplification de la radiation Transition-Cherenkov - + 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) C. D’Amico, JPU 2009

Sources THz par filamentation (sources de plasma) Amplification de la radiation 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 k. V) Yi Liu et al. , Appl. Phys. Lett. 93, 051108 ( 2008) C. D’Amico, JPU 2009

Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) dans un plasma C. D’Amico, JPU 2009

PLAN v Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter v Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires v Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz v Applications v Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz P(2)(Ω) = ε 0χ(2)(Ω=ω-ω+Ω; -ω+Ω, ω)E*(ω-Ω)E(ω) ~ χ(2) I (redressement optique, processus non linéaire ordre 2) Cristal C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz Cristal P(2)(Ω) = ε 0χ(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 phase Vφ, THz= Vg, IR → n φ, THz = ng, IR C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz Cristal P(2)(Ω) = ε 0χ(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 phase Vφ, THz= Vg, IR → n φ, THz = ng, IR Cristal: Zn. Te (n φ, THz ≈ ng, IR ) C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz Cristal P(2)(Ω) = ε 0χ(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 phase Vφ, THz= Vg, IR → n φ, THz = ng, IR Cristal: Zn. Te (n φ, THz ≈ ng, IR ) Cristal: Li. Nb. O 3 (n φ, THz ≈ 2 ng, IR ) Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ, THz /ng, IR) ≈ 63° C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires IR THz Cristal P(2)(Ω) = ε 0χ(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 phase Vφ, THz= Vg, IR → n φ, THz = ng, IR Cristal: Zn. Te (n φ, THz ≈ ng, IR ) Cristal: Li. Nb. O 3 (n φ, THz ≈ 2 ng, IR ) Inclinaison du front d’onde: α = atan(n φ, THz /ng, IR) ≈ 63° C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front d’onde dans le Li. Nb. O 3 C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires Problème des distorsions du front d’onde dans le Li. Nb. O 3 Etude théorique: L. Palfalvi et al. , Appl. Phys. Lett. 92, 171107 (2008) Taux de conversion ≈ 7∙ 10 -4 Taux de conversion ≈ 10 -2 1 photon (800 nm) → 3. 7 photons (1 THz) ! C. D’Amico, JPU 2009

Redressement optique dans les cristaux non linéaires Taux de conversion 10 -5 Taux de conversion 10 -3 -10 -2 C. D’Amico, JPU 2009

PLAN v Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter v Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires v Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz v Applications v Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Δt, N Impulsion THz cristal J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) C. D’Amico, JPU 2009

Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Δt, N Impulsion THz cristal J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Une technique récente (CPMOH) Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides Δr, N C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009) C. D’Amico, JPU 2009

Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Le principe … Avec les bonnes paramètres Δt, N Train d’impulsions Opt. Δt, N Impulsion THz cristal J. Ahn, A. V. Efimov, R. D. Averitt, A. J. Taylor, Opt. Express 11, 2486 ( 2003) Une technique récente (CPMOH) Propagateur de Fresnel Mise en forme spatiale à l’aide d’un masque de phase à cristaux liquides Δr, N Couplage spatio-temporel en champ intermédiaire C. D’Amico, M. Tondusson, J. Déjert, E. Freysz, Opt. Express 17, 592 ( 2009) C. D’Amico, JPU 2009

Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz Z = 4 cm R = 4 mm R 1 = 2 mm R 2 = 4 mm C. D’Amico, JPU 2009

Mise en forme spectrale et spatiale des impulsions THz La source se comporte comme une lentille de Fresnel Expérience Théorie C. D’Amico, JPU 2009

PLAN v Introduction : les impulsions THz et la méthode pour les détecter v Les sources THz pulsées générées par lasers ultracourts o Les antennes photoconductrices à semi-conducteurs o Impulsions THz produites par interaction laser-plasma o Impulsions THz par redressement optique dans les cristaux non linéaires v Techniques de mise en forme spatio-temporelle des impulsions THz v Applications v Conclusions C. D’Amico, JPU 2009

Applications Ondes Radio 10 cm MW THz 1 mm IR 10µm UV 100 nm Rayons-X Rayons-γ 1 nm C. D’Amico, JPU 2009

Applications Ondes Radio 10 cm MW THz 1 mm IR 10µm UV 100 nm Rayons-X Rayons-γ 1 nm Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz le cristal β-Ba. B 2 O 4 (BBO) J. Liu, X. Guo, J. Dai, X. -C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008) C. D’Amico, JPU 2009

Applications Ondes Radio 10 cm MW THz 1 mm IR 10µm UV 100 nm Rayons-X Rayons-γ 1 nm Spectroscopie THz non linéaire : pompe THz – sonde optique, THz le cristal β-Ba. B 2 O 4 (BBO) Originalité par rapport à la Spectroscopie dans le domaine optique Détection en temps réel de l’évolution du champ électrique THz (accès direct à l’amplitude et à la phase des impulsions) J. Liu, X. Guo, J. Dai, X. -C. Zhang, Appl. Phys. Lett. 93, 171102 (2008) On peut extraire plus d’information que dans le cas optique! C. D’Amico, JPU 2009

CONCLUSIONS v 4 techniques pour la génération d’impulsions THz par lasers ultracourts o Les antennes THz : photo-courant dans les semi-conducteurs o Plasma: filamentation femtoseconde o Plasma: Mélange à quatre-ondes (ω-2ω) o Le redressement optique: Zn. Te, Li. Nb. O 3 (champ THz intense) v Technique de mise en forme spectrale e spatiale dans le redressement optique o 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 v Application à l’optique THz non linéaire C. D’Amico, JPU 2009

Merci