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Verrouillage de mode (lasers)

1965
Système laser à verrouillage de mode dans un laboratoire d'optique moderne.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Le verrouillage de mode est une technique permettant de produire des impulsions laser extrêmement courtes, de l'ordre de la picoseconde ([latex]10^{-12}[/latex] s) à la femtoseconde ([latex]10^{-15}[/latex] s). Il fonctionne en forçant les nombreux modes longitudinaux de la cavité laser à osciller avec une relation de phase fixe. Les modes interfèrent alors de manière constructive, créant une impulsion unique, intense et ultracourte circulant dans la cavité.

Une cavité laser typique supporte plusieurs modes longitudinaux, chacun correspondant à une fréquence de résonance spécifique. Dans un laser libre, ces modes oscillent indépendamment avec des phases aléatoires. Le verrouillage de modes synchronise les phases de ces modes. Lorsque les modes sont verrouillés en phase, ils interfèrent de manière constructive à un instant et un point précis de l'espace, formant une impulsion intense et brève. À tout autre instant, ils interfèrent de manière destructive, ce qui entraîne une intensité quasi nulle. Il en résulte un train d'impulsions ultracourtes circulant dans la cavité laser, une impulsion étant émise par le coupleur de sortie à chaque aller-retour.

La durée d'une impulsion à modes verrouillés est inversement proportionnelle à la largeur de bande spectrale du milieu amplificateur. Une largeur de bande plus large permet de prendre en charge davantage de modes longitudinaux, qui peuvent être verrouillés pour créer une impulsion plus courte. Ceci est régi par le Fourier uncertainty principle: [latex]\Delta t \Delta u \ge K[/latex], where [latex]\Delta t[/latex] is the pulse duration, [latex]\Delta u[/latex] is the spectral bandwidth, and K is a constant near unity. Techniques for achieving mode-locking can be active (using an external modulator like an acousto-optic modulator) or passive (using a saturable absorber, a material whose absorption decreases at high light intensity). Passive mode-locking, particularly Kerr-lens mode-locking, has produced the shortest pulses to date, reaching the attosecond ([latex]10^{-18}[/latex] s) regime.

UNESCO Nomenclature: 2210
- Optique

Taper

Technique

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • invention du laser
  • compréhension des modes longitudinaux du laser
  • développement de modulateurs optiques rapides et de matériaux optiques non linéaires
  • analyse de Fourier de la superposition d'ondes

Applications

  • femtochimie
  • microscopie multiphotonique
  • peignes de fréquences optiques pour la métrologie
  • génération de térahertz
  • ultrarapide spectroscopie
  • chirurgie oculaire au laser (LASIK femtoseconde)

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • Génération d'impulsions attosecondes pour l'imagerie de la dynamique électronique
  • accélérateurs de particules de table utilisant des interactions laser-plasma
  • contrôle cohérent des systèmes quantiques pour le calcul
  • horloges optiques ultra-précises pour tester la physique fondamentale
  • transmission de données optiques à un térabit par seconde
  • Ablation non thermique de tissus biologiques avec dommages collatéraux minimes
  • Inscription directe de guides d'ondes 3D à l'intérieur du verre
  • laser-based fusion energy research (inertial confinement fusion)
  • generation of extreme ultra-violet (euv) light for next-gen lithography
  • microscopie quadridimensionnelle (espace 3D + temps) des processus biologiques vivants
Lié à : verrouillage de modes, impulsion ultracourte, femtoseconde, picoseconde, laser, modes longitudinaux, verrouillage de phase transformée de Fourier, absorbeur saturable, verrouillage de mode par lentille de Kerr.

Contexte historique

Verrouillage de mode (lasers)

1961
1962
1963
1965
1970
1970
1974-11-15
1960-05-16
1962
1963
1964
1968
1970
1970
1975

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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