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Génération de rayonnement de seconde harmonique dans l’extrême ultraviolet

Une collaboration internationale a réussi à doubler la fréquence de la lumière dans l’ultraviolet extrême et ainsi produire un rayonnement d’une dizaine de nanomètres de longueur d’onde. L’expérience a été réalisée au Laboratoire d’optique appliquée.

Enceinte principale de la source XUV du Laboratoire d'optique appliquée. En vert, un faisceau d'alignement.

D’ordinaire, les photons composant la lumière sont assez solitaires et n’interagissent pas avec leurs congénères. Mais, dans des conditions particulières, deux photons de même fréquence peuvent en quelque sorte s’assembler pour n’en former qu’un dont la fréquence est deux fois plus élevée. Ce doublement de fréquence, aussi appelé génération de seconde harmonique, constitue un des nombreux phénomènes dits « non-linéaires » et a été observé dès 1961 avec de la lumière laser visible. Ce phénomène est depuis couramment utilisé, y compris dans d’autres domaines du spectre électromagnétique comme les infrarouges.

Dans ce travail publié dans Science Advances par des scientifiques de différentes institutions telles les universités de Jena en Allemagne, de Berkeley aux Etats-Unis et le Laboratoire d’optique appliquée (*LOA), la nouveauté réside dans le domaine de longueur d’onde, celui des ultraviolets extrêmes, aussi appelé domaine XUV. Celui-ci s’étend entre les gammes des rayons ultraviolets et X, soit des longueurs d’onde de 80 nanomètres (nm) à quelques nanomètres. « Faire des expériences dans l’XUV est difficile, souligne Fabien Tissandier, chercheur au LOA, en particulier parce que ce rayonnement est absorbé très facilement par tous types de milieu matériel. Toute l’expérience est donc placée sous vide. »

Dans un premier temps, il s’agit de créer le rayonnement initial avec une intensité suffisamment élevée, condition indispensable pour ensuite générer un effet non-linéaire. Une solution serait d’utiliser un laser à électron libre, une source à la fois intense et accordable en fréquence déjà utilisée pour démontrer le même phénomène dans les rayons X. Cet équipement nécessite cependant de grandes installations. A l’échelle du laboratoire, le LOA a développé et amélioré depuis près de 20 ans une source laser XUV, comme il n’en existe que quelques-unes dans le monde. Son principe général : un laser infrarouge est focalisé dans un gaz d’atomes de krypton, dont les électrons sont alors arrachés. Cela forme un plasma d’électrons et d’ions au sein duquel de multiples collisions portent de nombreux ions dans un état d’énergie excité. Les ions libèrent cette énergie en émettant en cascade des photons identiques : on obtient un faisceau laser de longueur d’onde 32,8 nm.

Ce faisceau est ensuite focalisé sur une fine feuille de titane avec une intensité de l’ordre de 10^11 Watts par centimètre carré. « A ces longueurs d’onde, impossible d’utiliser des cristaux non-linéaires comme dans le visible ou l’ultraviolet, car le rayonnement serait complètement absorbé » poursuit le chercheur. C’est donc à l’interface entre le vide et la feuille de titane qu’a lieu la génération de seconde harmonique, donnant naissance à un faisceau de longueur d’onde 16,4 nm. Un doublement de la fréquence équivaut en effet à une division par deux de la longueur d’onde. Un réseau de diffraction et une caméra CCD permettent de caractériser ce rayonnement.

Le taux de conversion entre le faisceau initial et le faisceau de seconde harmonique se situe autour de 2%. « Il s’agissait surtout de montrer que c’était possible » explique Fabien Tissandier. Si, à terme, ce rayonnement pourrait servir à analyser des matériaux complexes, c’est la source XUV elle-même telle qui focalise d’intérêt de l’équipe du LOA. Augmenter son énergie, mieux déterminer ses caractéristiques ou encore affiner la compréhension des mécanismes physiques au sein du plasma constituent autant d’axes de recherches à poursuivre.

*LOA : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris, ENSTA Paris - Institut Polytechnique de Paris