Génération d’impulsions attosecondes isolées avec un faisceau laser “Flat-Top”

V. Strelkov1,2, E. Mével1 and E. Constant1

1CEntre Lasers Intenses et Applications, Université Bordeaux I

2General Physics Institute of Russian Academy of Sciences, Moscow

Génération d’harmoniques d’ordre élevé

Atto

gaz

Harmoniques impaires du fondamental:

3 , 5 , …, 839 …

RéseauXUV

AlLaserqq mJ800 nm40 fs

I = 1014 W.cm-2

q ħ

Train d’impulsions attosecondes (1 as = 10-18 s) XUV

ħ

T0/2

100 10-18 sIn

tens

ité

tempstemps

9 fs

480 as

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 q

coupureplateau

Périodicité T0/2 : train d’impulsions attosecondes

Génération d’impulsions isolées

1: Ionisation 2: Oscillation 3: recombinaison

XUVModèle en 3 étapes

Atto

Contrôle des recollisions impulsion atto isolée

Méthodes de confinement temporelImpulsions 5fs, CEP stabilisées + sélection spectrale du cut-off

Hentschel et al.: Nature 414, 509 (2001) Faible énergie laser <1mJ

Impulsion atto sub nJ

Impulsions 5fs-20 fs, CEP stabilisées + Porte de polarisationCorkum et al.: Optics Letters 19, 1870 (1994)Sola et al., Nature Physics, 2, 281 (2006)

K.C. Kulander et al., SILAP III (1993)P. B. Corkum, PRL 71, 1994 (1993)

Optimisation de l’énergie harmoniqueOptimisation de la réponse de l’atome unique

Atto

Constant et al. PRL 82, 1668 (1999)

Dipôle non linéaire max pour I Isat : Choix d’atome + impulsion courte

Réabsorption: 3Labs< L

Laser « standard » : 30 fs, 100 mJ, CEP non stabilisée+ Longues focales

Lcoh

Hergott et al. PRA 66, 021801 (2002), Takahishi et al. Opt. Lett. 27, 1920 (2002)

Accord de phase L< Lcoh = / k

Train d’impulsions, µJEfficacité : 10-5

Optimisation de la réponse macroscopiqueAugmenter le nombre d’atomes

Atto

Contrôle de la réponse macroscopiquek = kq - q k0 - K

k (, I(t)) = kgeom + kneutr (1 - i (I(t)) ) + kplasma i (I(t))-

Accord de phase

Constant et al. PRL 82, 1668 (1999), Mével et al. , ICOMP VIII (2000), Kazamias et al., PRL 90, 193901 (2003)

Ionisation dépendante du temps i (I(t))

Accord de phase transitoire sur T0/2 impulsion attoseconde unique

k=0

0,0

0,1

0,2

temps

Pro

babi

lité

d'io

nisa

tion

trIKat

,

Méthode alternative de confinement temporel

kLAccord de phase transitoire : la densité électronique compense la dispersion du gaz neutre et la phase géométrique

Accord de phase large bande impulsion attoseconde ultracourte

Influence de la distribution d’éclairement

Atto

Faisceau Gaussien

I(r)

0.0

0.1

0.2

time

ioni

zatio

n pr

obab

ility k=0

gaz

La variation de I (r,z) s’oppose au confinement

0.0

0.1

0.2

time

ioni

zatio

n pr

obab

ility

0,6

0,8

1,0

k=0

z

Faisceau Flat top pour un accord de phase homogène

r

Profil quasi Flat -top

Atto

01020304050

-1.8-1.6

-1.4

-1.2

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

int e

nsity

[1014

W/c

m2 ]

r [m]

z [mm

]

01020304050

-1.8-1.6

-1.4

-1.2

-1.9

-1.8

-1.7

-1.6

-1.5

-1.4

r [m]

pha

se [r

ad]

z [mm

]

Faisceau Gaussian incident: 800 nm, E =0.17 mJ, laser =10 fs, W1/e2=1 cm

Paramètres de la mise en forme spatiale: iris = 2.8 W1/e2 , lame = 1.9 W1/e2 , , f=1m

r

z0W1/e2

Lames de

phaseDiaphragme

iris

lamez1

Gaz

z2

Cible: Ar 60 mBar, z2-z1 =0.75 mm, 1.5 mm avant le foyer

Accord de phase homogène dans le milieu

Génération avec des impulsions de 10 fs

-6 -4 -2 0 2 4 60.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

10 fs laser pulse: 0.75 mm target 0.0075 mm target

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

time [fs]

x1002

Atto

effet de l’accord de phase

transitoire

Présence d’un second train d’impulsions

k = kq - q k0 - K

trIKat

,

Trajectoires longues

25

q > 320

Trajectoires courtes

1K0

La propagation sélectionne une famille de trajectoires

-6 -4 -2 0 2 4 60.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

10 fs laser pulse: 0.75 mm target 0.0075 mm target

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

time [fs]

x1002

accord de phasetransitoire

synchrone sur la section du faisceau

Cartes d’accord de phase

Atto

-6 -4 -2 0 2 4 60

10

20

30

40

r [

m]

[fs]

long

-6 -4 -2 0 2 4 60.0

0.2

0.4

0.6

0.8

short long

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

time [fs]

q > 320

Strelkov, Phys. Rev. A 74, 013405 (2006), Strelkov, et. al., Appl. Phys. B, 78, 879–884 (2004)

zkeffcohL

-6 -4 -2 0 2 4 60

10

20

30

40

r [m

]

0

0.50

1.0

1.5

2.0

Leffcoh

[mm]

short

[fs]

Influence de la CEP

Atto

CEP=/2 CEP=

La porte d’accord de phase est liée au champ et suit les variations de

CEP

-3 -2 -1 0

0,0

0,1

ioni

zatio

n pr

obab

ility

fiel

d st

reng

th

-3 -2 -1 00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

time [fs]

220 as

cos

-3 -2 -1 00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

time [fs]

220 as

-3 -2 -1 0

0,0

0,1

ioni

zatio

n pr

obab

ility

fiel

d st

reng

th

sin

Robustesse / aux fluctuations de CEP

Atto

CEP=/2 CEP=

Impulsion atto isolée pour 67% des CEP (40% pour les autres méthodes)

Variation du contraste temporel avec la CEP

a)

b)

-4 -3 -2 -1 0 1 20.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 CEP=0 CEP=/2

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

time [fs]

220 as

-4 -3 -2 -1 0 1 2

time [fs]

CE

P [r

ad]

XUV intensity [arb. un.]

0.0

0.2

0.4

0.8

1.0

0.6

a)

b)

-4 -3 -2 -1 0 1 20.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 CEP=0 CEP=/2

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

time [fs]

220 as

-4 -3 -2 -1 0 1 2

time [fs]

CE

P [r

ad]

XUV intensity [arb. un.]

0.0

0.2

0.4

0.8

1.0

0.6

Génération avec 2 champs

Atto

Permet d’augmenter la durée d’accord de phase transitoire à T0

T0/2

Inte

nsit

é

temps

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 q

T0

Inte

nsit

é

temps

Un seul champ: 2-couleurs (+2)

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 q

2 4 6 8 10 12 14 16 20 22 24 26 28 30 32 34 36

Impulsions atto isolées possibles avec laser = 20 fs

-12 -10 -8 -6 -4 -2

CE

P [r

ad]

-12 -10 -8 -6 -4 -20

1

2

3

4

5

CEP

=0

CEP

=

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

300 as

c)

a)

b)

-12 -10 -8 -6 -4 -20

1

2

3

4

5

6

7

CEP=

CEP

=

XU

V in

tens

ity [a

rb. u

n.]

time [fs]

170 as

Génération avec des impulsions de 20 fs

Atto

20 fs, 800 nm flat-top + 20 fs, 400nm Gaussien, W2w,1/e2 = 85 µm, I=10 I, =0

-10 -5 0 5 100

5

10

15

20

x1002

, 0.75 mm, 0.0075 mm, 0.0075 mm

inte

nsité

XU

V [a

rb. u

n.]

temps[fs]

x1002

q > 240

XUV intensity [arb. un.]

543210

T0

q > 240

q > 120

Impulsion atto isolée pour 80% des CEPMeilleur contraste temporel

Transmission d’un filtre Al : q>12 0kLabs confinement médiocre pour q faible

Flat top : accord de phase simultané sur l’axe et la périphérie du faisceau.

Le profil radial d’éclairement peut-être obtenu expérimentalement à l’aide de lames de phase.

L’émission d’une impulsion attoseconde isolée peut être obtenue avec des impulsions de 10 fs (1 couleur) ou 20 fs (2 couleurs) avec un faisceau Flat-Top.

Grande robustesse par rapport aux fluctuations de CEP.

Confinement compatible avec des conditions d’optimisation de l’efficacité de génération (microscopique+macroscopique).

Conclusions

Atto

V. Strelkov, E. Mével, E. Constant, New J. Phys. 10, 083040 (2008)

Perspectives

Atto

Résultats des calculs applicables à des impulsions laser longues (30 fs) de fortes énergies (E>10 mJ).

- Augmentation de la longueur Flat-top avec de longues focales - Meilleur confinement avec des milieux longs (kL) mais efficacité moindre (I plus faible dans la porte d’accord de

phase)- Mise en forme temporelle- Optimisation de la génération à 2 couleurs (, Wflat-top,/W)

Développement de la post compression haute énergie (10 mJ, 10 fs) au CELIA (visite CELIA jeudi à 14h30)

Application de la méthode pour des impulsions de 10-20 fs ,E>10 mJ.

- Milieux longs- Bon confinement et meilleure efficacité de génération

Confirmation expérimentale de l’efficacité de génération avec le Flat-top(Collaboration avec le CEA-Saclay et le LOA)

Réalisation expérimentale

Atto

Lames de phase

Laser Ti:Sapph CPA LUCA: 50 fs , 80 mJ

Profil radiaux d’éclairement expérimentaux

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

X [µm]

Y [µ

m]

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

X [µm]

Y [µ

m]

-200 -100 0 100 200 3000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsité

nor

mal

isée

R [m]

Profil flat top Profil gaussien Profil en anneau

= 0 rad = rad = 0.8 rad

Profil Flat TopDiamètre élargi d’un facteur>2

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

X [µm]

Y [µ

m]

Atto

Résultats expérimentaux

Atto

-60 -40 -20 0 20 40

-20

0

20

Divergence [mrad]

Div

erge

nce

[mra

d]-60 -40 -20 0 20 40

-40

-20

0

20

Divergence [mrad]

Div

erge

nce

[mra

d]

Divergence de l’harmonique 19 générée dans l’Argon (E=3 mJ)

Avec un faisceau Flat TopAvec un faisceau Gaussien,à la position optimale en Z

Efficacité comparable faisceaux Flat –Top/ Gaussien

Amélioration du profil spatial Harmonique