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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 importante permet de verrouiller davantage de modes longitudinaux, ce qui permet de générer une impulsion plus courte. Ce phénomène est régi par le principe d'incertitude de Fourier : Δt Δu ≥ K, où Δt représente la durée de l'impulsion, Δu la largeur de bande spectrale et K une constante proche de l'unité. Les techniques de verrouillage de modes peuvent être actives (utilisant un modulateur externe, tel qu'un modulateur acousto-optique) ou passives (utilisant un absorbeur saturable, un matériau dont l'absorption diminue aux fortes intensités lumineuses). Le verrouillage de modes passif, et notamment le verrouillage de modes par lentille de Kerr, a permis d'obtenir les impulsions les plus courtes à ce jour, atteignant le régime de l'attoseconde (10⁻¹⁸ s).

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
  • spectroscopie ultrarapide
  • chirurgie oculaire au laser (LASIK femtoseconde)

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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Lié à : verrouillage de mode, 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)

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