Comment caractériser un train d’impulsions femtosecondes ?

Les premiers lasers créés étaient des lasers impulsionnels dont les durées temporelles des impulsions variaient entre la milliseconde et la nanoseconde. Pour caractériser ces impulsions, la photodiode permettait de mesurer la durée temporelle des impulsions et le spectromètre leur largeur spectrale. Cependant, pour la mesure des durées de l’ordre de la centaine de femtosecondes, les instruments électroniques sont inadaptés. En effet, les temps de réponse des composants électroniques sont trop longs devant la durée temporelle à mesurer. A titre d’exemple, l’InGaAs (Indium-Gallium-Arsenic), matériau semi-conducteur couramment utilisé dans les photodiodes, permet de mesurer des impulsions avec une durée temporelle de l’ordre de 10 ps. C’est la raison pour laquelle la caractérisation d’impulsion femtoseconde a nécessité des systèmes optiques plus complexes. Une des premières caractérisations optiques utilisées est l’autocorrélation grâce à un interféromètre de Michelson.  Il existe deux types d’autocorrélation : les autocorrélations « intensimétrique » et interférométrique. Nous ne développerons dans la suite que l’autocorrélation intensimétrique, car cette méthode est celle que nous avons utilisée. 1) Principe de l’autocorrélation du second ordre Le principe consiste à faire interférer un signal avec une réplique de lui-même décalée dans le temps par un retard τ et de mesurer le recouvrement temporel entre l’impulsion et sa réplique grâce à un effet non-linéaire. Cet effet non-linéaire peut être le doublage de fréquence ou de l’absorption à deux photons par exemple. Le principe de l’autocorrélation intensimétrique est alors représenté sur la Figure 3.16.

où I(t) et I(t-τ) représentent les intensités de l’impulsion non-retardée et de celle retardée d’un temps τ. En regardant la formule (3.30), nous remarquons de suite que le signal mesuré est le produit des modules des champs E(t) et E(t-τ). Le terme en exponentiel imaginaire contenant la phase de l’impulsion disparaît, il est en conséquence impossible de mesurer dans ces conditions la phase de l’impulsion laser. L’autocorrélation ne donne aucune information au sujet d’un potentiel chirp (ou dérive de fréquence) de l’impulsion. Il n’y a pas unicité de la solution. Pourtant l’information sur la phase permet de connaître des caractéristiques déterminantes de l’impulsion. En effet, si la phase spectrale n’est pas constante, les différentes composantes arrivent à des instants différents et donc la mesure tient compte de la dispersion. La mesure de la phase de l’impulsion se révèle être riche en information mais impossible à mesurer par une autocorrélation. Ensuite, suivant la forme temporelle de l’impulsion caractérisée, on doit tenir compte d’un facteur de déconvolution, noté D, lors de la mesure de la durée temporelle. En effet, nous devons noter que Δtmesurée = D.Δttemporelle. Le facteur D vaut 1,41 dans le cas d’une impulsion gaussienne et 1,54 dans le cas d’une impulsion sécante hyperbolique. Il s’agit d’un second inconvénient de l’autocorrélation. En effet, pour mesurer la durée temporelle, il faut alors faire une hypothèse sur la forme de l’impulsion. Aucune mesure directe de la forme de l’impulsion ne peut être réalisée via cette méthode de caractérisation. De plus, l’autocorrelation est une fonction symétrique qui ne permet pas de mesurer les éventuelles dissymétries temporelles. 2) Montage expérimental Le montage expérimental, basé sur un interféromètre de Michelson, est représenté Figure 3.17. Un train d’impulsions femtosecondes à caractériser est envoyé sur une lame séparatrice placée à 45 °..

Figure 3.17: Montage expérimental d’un autocorrélateur Une partie de l’impulsion est réfléchie sur un coin de cube fixe, mais qui peut être cependant déplacé pour calibrer le montage grâce à une vis micrométrique. Par contre, l’autre partie de l’impulsion est transmise sur un coin cube monté sur un pot vibrant qui permet d’introduire un retard τ(t) (lentement variable) par rapport à l’impulsion de l’autre bras. Le choix de coin cube nous permet de séparer spatialement l’impulsion non-retardée et celle retardée d’un temps τ. Les deux impulsions sont ensuite focalisées sur un cristal doubleur non-linéaire grâce à une lentille et le photodétecteur mesure alors la puissance de l’onde doublée en fréquence. En résumé, cette méthode de caractérisation ne permet donc pas de faire une mesure complète de l’impulsion laser. En conclusion, il faut impérativement trouver une autre méthode capable de caractériser entièrement l’impulsion, durée temporelle, spectre et phase contrairement à l’autocorrélation. C’est la raison pour laquelle une mesure de type FROG a été construite durant ces travaux de thèse.