Développements et applications de sources d’harmoniques d’ordre élevé

La thématique de recherche liée au sources de rayonnement XUV (extrême ultraviolet) se décompose en d’une part des études fondamentales sur la source, principalement liées à la qualité des faisceaux, et d’autres part en leur applications. Ce dernier sujet englobe des recherches sur l’injection d’amplificateurs de rayons XUV (pompés par laser ou de type lasers à électrons libres), sur le magnétisme ultra-rapide ainsi que des travaux en optique XUV et métrologie XUV. Les études sont réalisées dans une salle dédiée contenant deux zones expérimentales, aussi appelées lignes de lumière, spécialisées dans des applications spécifiques.

Photographie d’une des lignes de lumière d’applications des harmoniques d’ordres élevés, ici pour le magnétisme femtoseconde.

Bien que ces sources ont commencé à être étudiée dans les années 1980, la thématique reste très active avec des découvertes majeures apparaissant régulièrement au fil des années. Notre groupe étudie les harmoniques générées en focalisant un laser femtoseconde intense dans un gaz rare. On produit ainsi un train d’impulsions attosecondes (1 as = 10-18 s) caractérisé par un spectre discret d’harmoniques s’étendant de l’UV aux X. De nombreux paramètres permettent d’optimiser l’émission des harmoniques comme la pression du gaz, la durée du laser, sa distribution spatiale autour du foyer et même l’utilisation d’aimants.

Spectre typique d’harmoniques d’ordres élevés.

Femto-magnétisme sondé par harmoniques d’ordres élevés:

En collaboration avec le groupe de J. Lünning du LCPMR, nous avons initié l’étude du magnétisme femtoseconde grâce des expériences dites pompe-sonde dans lesquelles un laser infrarouge induit la démagnétisation d’un matériaux qui est alors sondé par une impulsion harmonique. L’ensemble des résultats présentés ci-après ont été obtenu avec B. Vodungbo et J. Lünning du LCPMR .

En 2011, nous avons démontré qu’il était possible de sonder un système magnétique nano-structuré par diffraction cohérente d’harmoniques d’ordres élevés. [Boris Vodungbo, et al., Optics Express, 19, 5, 4346 (2011)]. Pour réaliser cette démonstration, nous avons développé un système originale de contrôle de la polarisation des harmoniques [Boris Vodungbo, et al., Optics Express, 19, 5, 4346 (2011)]

Schéma de l’expérience de diffraction cohérente X mous. Une photographie de l’échantillon réalisée par microscope AFM est présentée. Image brute de diffraction X mous montrant deux pics de diffraction. A partir de ces pics, il est possible de retrouver la taille, l’angle et le niveau d’ordre de l’échantillon.

En 2012, nous avons réalisé la première expérience de démagnétisation ultra-rapide sondée par harmoniques d’ordre élevés. [Boris Vodungbo, et al., Nature Communication, 3, 999, (2012)]

En 2015, nous avons réussi à polariser circulairement des harmoniques d’ordres élevés ce qui représente un préciput à des expériences d’holographie X mous pour sonder des systèmes magnétiques nano-structurés. [G. Lambert et al., Nature Communication, 6, 6167 (2015)]

En 2018, nous avons continué l’étude de 2015 en utilisant deux faisceaux lasers polarisés linéairement afin de produire les harmoniques d’ordre élevés. [B. Mahieu et al., Physical Review A, 97, 4, 043857 (2018)]

En 2020, nous avons travaillé sur l’effet d’un champs magnétique extérieur sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé. Les premiers résultats semblent indiquer une augmentation du siganl à faible longueur d’onde.

En 2021, nous avons débuté une collaboration avec le LPS, Orsay, sur l’étude de structure magnétique topologique.

Optique X et métrologie de faisceaux X mous:

La source d’harmoniques d’ordre élevés possède plusieurs qualités qui la rendent particulièrement attractive pour les études d’optiques XUV et la métrologie XUV. Le faisceau est collimaté, polarisé et contient de nombreuses longueurs d’onde que l’on peut utiliser ensemble, par exemple pour étudier des optiques associées à des faisceaux attosecondes, ou séparément en utilisant un système de monochromatisation. Le front d’onde est le plus souvent de très bonne qualité, atteignant aisément lambda/7 RMS et lambda/20 RMS après optimisation. Enfin, et c’est un critère important, le système est très compact et très flexible. Ainsi, nous avons démonté qu’il est possible, et assez simple, de modifier les paramètres du faisceau XUV en jouant sur ceux du laser infrarouge de création.

En 2003, grâce à une collaboration avec P. Balcou, nous avons débuté l’utilisation des harmoniques d’ordre élevés en métrologie XUV. [C. Valentin et al, Opt. Lett, 28, 12, Juin 2003. ; S. Kazamias et al, Eur. Phys. J. D, 26, p47-50 ( 2003)]

En 2005 et 2006, nous avons réalisé les premiers miroirs dits « chirpés » qui permettent de compresser une impulsion XUV attosecondes. [A. S. Morlens at al., Opt. Lett., 30, 12, juin 2005 ; A. S. Morlens at al., Optics Letters, 31, No. 10 / 1558  (2006)]

En 2006, nous avons débuté les études sur l’holographie XUV utilisant un faisceau d’harmoniques d’ordres élevés. Cette étude a été complétée en 2015 par la première démonstration d’holographie X mous multi-spectrale applicable à des faisceaux attosecondes. [G. Williams et al., Opt. Lett. 40, 13, 3205-3208 (2015)]

En 2007, nous avons commencé un travail qui se poursuit encore aujourd’hui sur le contrôle cohérent du front d’onde  des harmoniques d’ordre élevés en modifiant le front d’onde du laser incident. [C. Valentin, et al, J. Opt. Soc. Am. B, 25, 7, B161(2008) ; J. Gauthier et al., Eur. Phys. Jour. D, 48, 3, 459-463 (2008) ; S. Künzel et al., Applied Optics, 54, 15, 4745-4749 (2015) ; J. Koliyadu et al., Photonics, 4, 2, 25 (2016) ; H. Dacasa et al, Optics Express,  27, 3, 2656-2670 (2019) ; O. de La Rochefoucauld, Sensors 21, 3, 874 (2021)]

L’axe majeur de métrologie XUV développé par le groupe consiste en la première démonstration puis optimisation de senseurs de front d’onde fonctionnant dans les rayons XUV. C’est un sujet toujours très actif dans l’équipe et qui s’est étendu dernièrement à travers des applications originales en imagerie en 3 dimensions par rayons XUV.

En 2001, S. le Pape, M. Idir et P. Zeitoun ont réalisé le premier senseur de front d’onde XUV basé sur la technologie Shack-Hartmann utilisant une matrice de lentilles. [Laser and Particle Beams, 19, 1, 55 – 58, (2001)]

En 2002,  ce nouveau senseur a été utilisé sur un laser XUV à décharge capillaire [S. Le Pape et al., Physical Review Letters, 88, Numéro 18, 2002]

En 2003, grâce à une collaboration avec la société Imagine Optic, le premier senseur de front d’onde de type Hartmann (avec une plaque de trous) a été réalisé et a démontré une précision de mesure exceptionnelle. [P. Mercère et al, Opt. Lett., 28, 17, 1534 (2003).]

Ce senseur a été amélioré et utilisé sur de nombreuses expériences d’étude de sources X mous allant des harmoniques d’ordres élevés, aux lasers XUV injectés et aux lasers à électrons libres [R. Bachelard et al, Phys. Rev. Lett. 106, 234801 (2011)]. Le senseur a aussi été utilisé régulièrement pour l’optimisation manuelle [H. Coudert-Alteirac Appl. Sci., 7, 11, 1159 (2017); Mabel Ruiz-Lopez et al, Sensors, 20, 22, 6426; (2020)] ou automatique [P. Mercère et al, Optics Letters, 31, 2, 2006] de miroirs de focalisation XUV.

En 2020, nous avons développé et caractérisé un senseur de front d’onde adapté aux faisceaux XUV très ouverts [Lu Li et al, Optics Letters, 45, 15, 4248-4251 (2020)]. C’est une première étape vars la réalisation de senseurs pour la métrologie d’optique ou  de « steppers » de lithographie EUV.