Wavefront shaping of terahertz radiation using two-color flying-focus pulses with time-dependent focal velocities

Le rayonnement térahertz occupe un espace unique dans le spectre électromagnétique, se situant entre les micro-ondes utilisées pour le Wi-Fi et la lumière infrarouge qui réchauffe notre peau. Cette bande d'énergie invisible est un outil puissant pour les scientifiques et les ingénieurs car elle peut traverser de nombreux matériaux qui bloquent la lumière visible, tels que les vêtements, le carton et le plastique, sans les endommager. Cela la rend idéale pour voir à l'intérieur des colis, analyser la composition chimique des gaz ou capturer des images de tissus biologiques. Pour que ces applications fonctionnent de manière optimale, les chercheurs ont souvent besoin d'impulsions de ce rayonnement qui soient extrêmement courtes et intenses. L'un des moyens les plus efficaces de créer de telles impulsions est de tirer un laser spécialisé dans un gaz. Lorsque le laser frappe le gaz, il arrache des électrons aux atomes, créant un courant bref et mobile qui émet des ondes térahertz. La forme de ces ondes lorsqu'elles voyagent dépend entièrement de la vitesse à laquelle ce courant d'électrons se déplace. Si le courant se déplace à une vitesse constante, les ondes se propagent en un cône, semblable au sillage en forme de V laissé par un bateau se déplaçant sur l'eau.

Pendant des années, les scientifiques ont pu contrôler la vitesse de ce courant d'électrons dans une certaine mesure, permettant de régler l'angle sous lequel les ondes térahertz se propagent. Cependant, ce contrôle était limité au maintien d'une vitesse constante, ce qui signifiait que les ondes formaient toujours ce même cône. Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de Rochester et de l'Université libre de Bruxelles a montré qu'en modifiant la vitesse du courant d'électrons au fil du temps, ils peuvent remodeler les ondes en des formes entièrement nouvelles. Au lieu d'un cône, ils ont démontré que les ondes peuvent être façonnées en une parabole, une forme naturellement adaptée pour être rassemblée et focalisée en un faisceau serré. Cette découverte ouvre la voie à la création d'impulsions térahertz qui ne sont pas seulement puissantes, mais aussi précisément façonnées pour des tâches spécifiques, comme concentrer l'énergie sur un point minuscule ou la collecter efficacement à partir d'une zone étendue.

Les chercheurs y sont parvenus en utilisant une technique appelée « focus volant » (flying focus). Dans une configuration laser standard, le point d'intensité maximale est fixé en un point précis. Dans un focus volant, le point d'intensité maximale est rendu mobile le long du faisceau laser à une vitesse que les scientifiques peuvent choisir. Pour ce faire, ils ont utilisé un système optique spécial qui divise le laser en anneaux de différentes couleurs et les décale légèrement afin qu'ils convergent tous vers un foyer à différentes distances le long du faislet. En organisant soigneusement ces délais, ils ont créé une impulsion dont la partie la plus brillante se déplace vers l'avant à une vitesse spécifique et contrôlable. Dans leur expérience, ils ont utilisé une impulsion laser composée de deux couleurs de lumière, ce qui est nécessaire pour piloter efficacement le courant d'électrons dans le gaz. Ils ont programmé la partie la plus brillante de cette impulsion pour qu'elle commence très vite et ralentisse régulièrement au fur et à mesure qu'elle traverse le gaz.

À mesure que le point brillant du laser se déplaçait à travers le gaz, il ionisait les atomes, créant une traînée d'électrons. Comme le point laser ralentissait, la traînée d'électrons qu'il créait ralentissait également. Les chercheurs ont découvert que cette traînée en décélération agissait comme une source mobile émettant des ondes térahertz. Parce que la source changeait de vitesse, l'angle sous lequel les ondes étaient émises changeait continuellement. Au lieu que toutes les ondes voyagent selon le même angle pour former un cône, les ondes émises au début du processus voyageaient selon un angle large, tandis que celles émises plus tard voyageaient selon un angle plus raide. Lorsque ces ondes se combinaient, elles formaient une surface parabolique courbe. Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques avancées pour modéliser ce processus, confirmant qu'un front d'ionisation en décélération produit une onde parabolique, tandis qu'un front à vitesse constante produit le cône traditionnel.

Les simulations ont révélé que la forme de l'onde résultante est directement liée à l'ampleur du changement de vitesse. En ajustant la vitesse initiale du focus laser et la rapidité avec laquelle il ralentit, l'équipe pouvait contrôler la courbure de l'onde. Une vitesse initiale plus rapide qui ralentit plus brusquement crée une courbe plus serrée, tandis qu'un départ plus lent crée une courbe plus plate. Ce niveau de contrôle est significatif car les ondes paraboliques sont beaucoup plus faciles à focaliser que les ondes coniques. Une onde conique se propage en un anneau, ce qui rend difficile la concentration de toute son énergie en un seul point. Une onde parabolique, en revanche, converge naturellement, permettant de collecter et de focaliser l'énergie de manière beaucoup plus efficace. Cela pourrait constituer un avantage majeur pour les applications nécessitant une haute intensité, comme l'accélération de particules ou le sondage de matériaux avec une précision extrême.

L'étude a également examiné les défis pratiques de la création de ces ondes. Pour obtenir une forme parabolique propre et uniforme, le laser doit créer un flux constant d'électrons tout au long de son parcours. Les chercheurs ont découvert que si l'intensité du laser fluctue ou si le décalage temporel entre les deux couleurs de lumière se désynchronise, le flux d'électrons devient irrégulier et la forme de l'onde est déformée. Ils ont découvert qu'en concevant leur système optique avec un trou central et en s'assurant que la vitesse du laser soit constante au tout début et à la fin du trajet, ils pouvaient créer une région plus uniforme de génération d'électrons. Cette uniformité est cruciale pour obtenir la forme parabolique nette prédite par leurs modèles. Les simulations ont montré qu'avec ces ajustements, les impulsions térahertz résultantes présentaient une distribution d'énergie lisse et uniforme, contrairement au motif en forme d'anneau observé avec les lasers à vitesse constante.

Ce travail représente un passage du simple contrôle de la vitesse du courant d'électrons au contrôle de la façon dont cette vitesse change au fil du temps. En traitant la vitesse du front d'ionisation comme une variable pouvant être programmée, les chercheurs ont ajouté un nouveau degré de liberté à la conception des sources térahertz. Les conclusions suggèrent qu'il est possible d'ingénier la forme du front d'onde pour qu'elle corresponde aux besoins d'une application spécifique, plutôt que d'être limité par les formes que la nature fournit par défaut. Bien que les résultats présentés ici soient basés sur des simulations informatiques, la physique sous-jacente repose sur des principes établis de l'interaction entre la lumière et la matière. Les chercheurs estiment qu'avec les composants optiques appropriés, ces impulses façonnées peuvent être créées dans un véritable laboratoire. Cette capacité pourrait conduire à des systèmes térahertz plus efficaces pour l'imagerie et la détection, où la capacité à focaliser étroitement le faisceau est tout aussi importante que la puissance de la source elle-même.