Une équipe de recherche de l’INRS repousse les limites des impulsions laser de haute énergie

À l’aide des installations du Laboratoire de sources femtosecondes (ALLS) de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), l’équipe de recherche du professeur François Légaré a repoussé les limites de la propagation d’impulsions hautement énergétiques dans des milieux non linéaires. Grâce à la découverte d’états solitoniques multidimensionnels (MDSS) de haute énergie, cette avancée permet la génération directe d’impulsions laser extrêmement courtes, intenses et stables. Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue Nature Photonics, sous le titre « High-energy multidimensional solitary states in hollow core fiber ».

Les opérations des systèmes laser communément utilisés sont restreintes à un mode transverse unique, ce qui limite le développement des technologies laser. Jusqu’à tout récemment, les modes supérieurs étaient considérés comme nuisibles, puisqu’ils sont enclins à l’instabilité et à l’effondrement. C’est ce qui rend l’incidence de ce travail scientifique remarquable. Les paquets d’ondes multidimensionnels observés, qui sont autosuffisants, sont générés lors du passage d’impulsions d’excitation picosecondes dans l’infrarouge proche dans une fibre creuse remplie de gaz. Ces résultats sont significatifs pour la communauté scientifique mondiale.

Les chercheuses et les chercheurs de l’INRS ont réussi à générer des champs laser hautement énergétiques dont les propriétés spatio-temporelles sont contrôlées. Cette découverte pourrait mener à des percées dans la science des lasers à travers diverses applications. Ce travail de recherche est constitué d’énormes avancées théoriques, de simulations numériques complexes et d’études expérimentales systématiques. Il a été exécuté dans les installations du laboratoire ALLS de l’INRS, une installation de recherche de classe mondiale dédiée au développement de nouveaux types de lasers aux applications révolutionnaires.

« La lumière ne se comporte pas comme on le croyait à haute énergie, dit Reza Safaei, doctorant à l’INRS. Nous avons pu concevoir un système qui fonctionne dans un régime de surexcitation et de chaos où un renforcement non linéaire dramatique survient de lui-même. En fait, les interactions entre les états multidimensionnels poussent la lumière dans les impulsions laser à s’organiser dans des états multidimensionnels très stables. C’est une grande surprise, puisque ces états solitoniques proviennent d’un chaos instable, comme une note sortant d’un tambour ?! »

« L’incidence technologique immédiate de ce travail de recherche sera la génération d’impulsions laser de quelques cycles optiques à partir des impulsions picosecondes provenant des systèmes laser ytterbium avec une approche simple, robuste et efficace qui procurera une nouvelle technologie laser pour la physique des champs forts », a mentionné Guangyu Fan, doctorant à l’INRS.

« C’est particulièrement intéressant pour accroître l’énergie des photons dans l’extrême ultraviolet et les rayons X mous qu’il est possible de générer dans les laboratoires grâce à l’augmentation de la longueur d’onde centrale du faisceau laser, dit le professeur de l’INRS François Légaré. Si on se tourne vers le futur, les lasers et les amplificateurs qui fonctionneront véritablement avec des états multidimensionnels pourraient atteindre des puissances considérablement plus élevées que les systèmes basés sur un mode unique, avec un renforcement significatif de la non-linéarité tout en étant contrôlables. Cette promesse s’étend bien plus loin que la science ultrarapide et rejoint toute la science laser, car la dimensionnalité et les non-linéarités spatiales et spatio-temporelles représentent des restrictions importantes pour les lasers de haute puissance de toute sorte ».

L’équipe estime que cette idée pourrait faire avancer les technologies laser, qui ont été plus ou moins bloquées dans un seul mode depuis plus de 20 ans. Elle permettra le développement de systèmes laser de haute puissance très compacts qui serviront à une grande variété d’applications, dont le micro-usinage et le traitement de matériaux. De plus, cette technologie laser innovante est maintenant utilisée dans le développement d’une source compacte d’impulsions ultra-brèves de rayons X qui permettra d’étudier des phénomènes ultrarapides tels que des réactions chimiques et les dynamiques de l’aimantation, et qui sera applicable à l’imagerie biomédicale à haute résolution spatiale dans la région spectrale de la fenêtre de l’eau. De plus, l’INRS a protégé la propriété intellectuelle des technologies potentiellement révolutionnaires de cette méthode laser.

L’article « High-energy multidimensional solitary states in hollow core fibres » a été publié dans Nature Photonics le 26 octobre 2020 par Reza Safaei (INRS), Guangyu Fan (INRS), Ojoon Kwon (INRS), Katherine Légaré (INRS), Philippe Lassonde (INRS), Bruno E. Schmidt (few-cycle Inc.), Heide Ibrahim (INRS) et François Légaré (INRS).

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