Exploitation des états auto-ionisants sombres pour améliorer les lasers ultraviolets extrêmes

30 mars 2023

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by Institut national de la recherche scientifique - INRS

Une équipe de recherche internationale dirigée par les professeurs Tsuneyuki Ozaki et François Légaré de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS), a mis au point une méthode unique pour augmenter la puissance d'une source laser émettant des impulsions de lumière ultraviolette extrême. Le mécanisme sous-jacent du phénomène nouvellement observé implique le rôle unique des états auto-ionisants sombres par couplage avec d'autres états électroniques pertinents.

Grâce à ces travaux, l'équipe pourra étudier la dynamique ultrarapide d'un seul état autoionisant sombre à l'échelle de temps femtoseconde, ce qui était auparavant impossible en raison de son incapacité à subir une émission ou une absorption monophotonique, combinée à la durée de vie ultracourte de ces états.

Récemment publiés dans la revue Physical Review Letters, leurs résultats permettent la génération de lumière ultraviolette extrême ultrarapide pertinente pour les applications scientifiques ultrarapides avancées telles que la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire et la microscopie électronique de photoémission.

Ce travail a été réalisé en collaboration avec le professeur Vasily Strelkov de l'Institut de physique générale Prokhorov de l'Académie russe des sciences, en Russie, et le professeur assistant de recherche Muhammad Ashiq Fareed de l'Université du Nebraska-Lincoln, aux États-Unis.

Dans leurs laboratoires du Centre de recherche Énergie Matériaux Télécommunications, les professeurs Tsuneyuki Ozaki et François Légaré, ainsi que Ph.D. l'étudiant Mangaljit Singh, ont exploité des types spéciaux d'états électroniques, connus sous le nom d'états auto-ionisants sombres. Leur travail a été accompli en utilisant la génération d'harmoniques d'ordre élevé, un phénomène optique non conventionnel pour la physique des lasers.

« Les résultats récemment publiés constituent un pas en avant non seulement dans la compréhension du comportement des états auto-ionisants sombres sous des interactions laser-matière ultrarapides intenses, mais également dans l'introduction de sources laser ultraviolettes extrêmes intenses provenant d'installations de laser synchrotron et à électrons libres à grande échelle vers les laboratoires laser de taille moyenne », déclare Ph.D. étudiant Mangaljit Singh, premier auteur de l'étude.

De nombreuses limitations imposées par les principes fondamentaux de la physique des lasers restreignent la plupart des lasers utilisés en médecine, dans les communications ou dans l'industrie. De même, ils ont tendance à fonctionner uniquement dans l'ultraviolet, le visible (du violet au rouge) ou l'invisible proche et moyen infrarouge. Cependant, de nombreuses applications scientifiques avancées nécessitent que les lasers fonctionnent à des longueurs d'onde plus courtes dans la plage ultraviolette extrême.

Les systèmes de pointe utilisent des sources laser primaires disponibles dans le commerce pour la génération d'harmoniques d'ordre élevé à partir de gaz nobles afin de développer des sources secondaires de lumière ultraviolette extrême cohérente.

Dans cette étude, au lieu de gaz nobles, Singh et ses collègues ont utilisé un panache ablaté au laser (obtenu à partir de l'ablation laser d'un matériau solide) pour la génération d'harmoniques d'ordre élevé en synchronisation avec la réponse unique des états auto-ionisants sombres.

Ils ont découvert que dans certaines conditions de résonance régies par les paramètres laser primaires et la structure électronique des espèces atomiques et ioniques dans le panache ablaté au laser, l'efficacité de conversion, et donc la puissance de la source laser ultraviolette extrême, est améliorée de plus de dix fois. Cela implique que la même puissance ultraviolette extrême peut être obtenue en utilisant un laser primaire dont la puissance est égale à un dixième de la puissance requise pour un gaz rare typique.

En plus de fournir une source de lumière ultraviolette extrême intense, cette étude montre également pour la première fois la perspective d'étudier la dynamique des états autoionisants sombres à l'échelle de temps femtoseconde en utilisant la technique de spectroscopie à haute harmonique. De tels états sombres pourraient être à la base de plusieurs technologies quantiques, notamment pour améliorer les performances du calcul quantique.

Plus d'information: Mangaljit Singh et al, Formation d'états résonnants ultrarapides par le couplage d'états autoionisants Rydberg et sombres, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.073201

Informations sur la revue :Lettres d'examen physique

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