Source laser à taux de répétition élevé pour l'imagerie par diffraction cohérente XUV – HELLIX

La génération d'harmoniques élevés (HHG) constitue un domaine de recherche extrêmement porteur en optique ultrarapide et physique des champs forts. La capacité de générer par HHG un rayonnement cohérent dans l'extrême ultraviolet (XUV 1-100nm), ainsi que des impulsions attoseconde a engendré tout un champ de recherche, aussi bien fondamentales qu'appliquées. En particulier, l'imagerie nanométrique utilisant la lumière cohérente XUV progresse rapidement, utilisant souvent le concept d'imagerie par diffraction cohérente. Ces expériences sont, pour la plupart, réalisées en utilisant des sources synchrotron ou laser à électrons libres, installations dont l'accès est difficile. Grâce à la mise au point récente de sources HHG compactes, des expériences d'imagerie XUV peuvent désormais être réalisées en laboratoire, à des résolutions approchant la longueur d'onde. De plus, les sources HHG offrent la possibilité de faire de l'imagerie résolue en temps, à l'échelle attoseconde / femtoseconde. Ces sources reposent le plus souvent sur des lasers ultrabrefs de type titane-saphir, ce qui limite leur taux de répétition à quelques kHz et engendre des couts d'acquisition et de maintenance élevés.

L'idée centrale de ce projet est de développer une nouvelle génération de sources HHG pour des applications en imagerie nanométrique tirant profit des derniers développements en technologie des lasers à fibre ultrabrefs. Ceci permettra une rupture en termes de taux de répétition, compacité, et robustesse des lasers utilisés pour la HHG. Pour atteindre cet objectif ambitieux, nous proposons de développer, caractériser, et optimiser une source compacte délivrant des impulsions de forte énergie (150 µJ), de durée égale à quelques cycles optiques (10 fs), dont la phase enveloppe-porteuse (CEP) est stabilisée, à un taux de répétition élevé (100 kHz), à la longueur d'onde de 1 µm. Bien que quelques laboratoires leaders sur le plan international soient activement sur cette voie, la source proposée constituerait une première mondiale. Elle serait basée sur un prototype industriel de laser à fibre dopée ytterbium ultrabref, suivi d'un étage de compression nonlinéaire réalisé à l'aide d'un guide d'onde rempli de gaz. Cette source permettra de réaliser des expériences d'imagerie unique, à une résolution spatiale sub-20nm et temporelle à l'échelle de 100 as. De nouveaux algorithmes d'inversion et de reconstruction d'image permettront de s'affranchir des problèmes liés à la bande spectrale du rayonnement utilisé pour éclairer l'objet à imager. Le contrôle de la CEP permettra la génération de spectres reproductibles, paramètre essentiel pour assurer lune imagerie de bonne qualité, ainsi que de nombreuses perspectives en imagerie attoseconde.

Le projet, mené par le laboratoire Charles Fabry (LCF), assemble des compétences spécifiques et complémentaires de partenaires reconnus internationalement dans leurs domaines respectifs. Le LCF est un acteur majeur de la recherche sur les sources laser femtoseconde pompés par diode. Amplitude Systèmes (AS) est le leader mondial sur le marché des lasers ultrarapides industriels, et a établit de longue date un laboratoire commun avec le LCF. Le laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) possède un savoir faire unique en matière de contrôle du peigne de fréquence des lasers ultrabrefs, reconnu dans le cadre d'expériences de cavité résonnantes passives pour la génération de rayons X et gammas. Enfin le laboratoire interaction, dynamique, et laser (LIDyL) est mondialement connu pour ses contributions à l'optique très nonlinéaire en phase gazeuse (HHG), et son application à l'imagerie nanométrique.

Le consortium HELLIX a pour but de démontrer une source laser à fort taux de répétition fiable, aux paramètres uniques, avec un impact important aux niveaux de la source laser, de la source secondaire XUV, et des applications.