WO2008009863A2 - Procede et dispositif pour creer une source de rayonnement pulsee dans le domaine des terahertz, et application mettant en oeuvre un tel procede - Google Patents

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terahertz
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André MYSYROWICZ
Michel Franco
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Ecole Polytechnique
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Ecole Polytechnique
Ecole Nationale Superieure des Techniques Avancees Bretagne
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation

Definitions

  • the present invention relates to a method for creating a coherent source of pulsed radiation in the terahertz (THz) domain from an ultra-intense laser source emitting pulses of femtosecond or picosecond duration.
  • the terahertz radiation (f> 10 n Hertz) is intercalated between the infrared field of optics and microwaves, the field of electronics.
  • terahertz radiation strongly interacts with many materials such as water, polar molecules and metals.
  • dielectrics remain absorbent to terahertz radiation.
  • non-polar, non-metallic and dry materials are transparent to terahertz radiation.
  • the terahertz radiation can advantageously be used in the field of communication, spectroscopy or even medical imaging.
  • medical imaging for example, there are many difficulties related to the low resolution, low penetration in the sample.
  • terahertz radiation travels a fairly long path between the emitter, the sample, and the receiver. This is detrimental since it imposes the use of a source of very high power to mitigate the attenuation in the course especially as this radiation THz is greatly absorbed by the water vapor present in the course. To remedy this, we can limit our to applications where the propagation takes place in transparent media or use a high-power terahertz source.
  • a first method consists in irradiating a semiconductor polarized by an external static electric field.
  • the almost instantaneous change in the carrier density induced by the laser source in the presence of a bias voltage produces the emission of an electromagnetic field in the THz domain. This emission is transmitted in the free space via an antenna.
  • the THz emission is obtained from the surface of a semiconductor irradiated by a laser taking advantage of the fact that there is a strong surface electric field.
  • a third method uses optical rectification in an electro-optical material. Optical rectification of a laser pulse leads to the generation of an envelope pulse which gives rise to THz radiation.
  • a THz pulse is obtained by focusing in air of a laser pulse.
  • a polarization current is obtained due to the ionization of air molecules. This polarization current induced by the laser causes THz radiation.
  • the present invention therefore aims to achieve a THz source using a laser, simple to implement.
  • the invention also aims the creation of a THz source whose radiation does not suffer from the problem related to attenuation, this to allow the irradiation of a distant target.
  • At least one of the aforementioned objects is achieved by a method for creating a source of radiation pulsed in the terahertz range, in which an ultra-intense laser source is used to generate a propagation of ultra-intense laser pulses which are regulated intensity and duration so that a filament or "filament of light" is created by a so-called filamentation process.
  • an ultra-intense laser source is used to generate a propagation of ultra-intense laser pulses which are regulated intensity and duration so that a filament or "filament of light” is created by a so-called filamentation process.
  • This phenomenon initiated by the optical Kerr effect (autofocusing), results from a dynamic equilibrium between the Kerr effect focusing, the defocusing by the plasma created in the medium and the diffraction of the optical wave.
  • the result is a filament of intense light, of limited length, with an almost constant diameter of the order of a hundred micrometers, a sort of self-guided structure capable of spreading over a distance exceeding one to several orders of magnitude. the Rayleigh distance. Under these conditions, a column of plasma composed of ions and electrons appears in the wake of the laser pulse (typically, about 0.1% of the oxygen molecules in the air are ionized).
  • the ponderomotive force of the laser pulses produces in the plasma a current of electrons oscillating at a frequency around 1 THz (the density of the free electrons produced by filamentation is about 3 ⁇ 10 16 cm -3 ). strongly attenuated (relaxation time around 300 fs), therefore this current pulse can be likened to a dipole oriented along the axis of propagation and moving at the speed of light For a finite length of filament , the mobile dipole emits radially polarized and broadband electromagnetic radiation due to a combined Cherenkov and transition effect.
  • the appearance of these electrical charges is at the origin of the terahertz radiation source according to a narrow emission cone directed along the axis of propagation of the ultra-intense laser pulses.
  • the terahertz radiation source consists of all the point sections of the filament.
  • filament refers to the column of plasma appeared at the passage of the ultra-intense pulse and persists well after the passage of the pulse.
  • the plasma or filament column spontaneously emits electromagnetic pulses in the range of 10 GHz to several THz. So far, this THz emission has been observed perpendicular to the filament axis, in agreement with theoretical models.
  • the present invention is particularly notable in that a source of THz radiation from the light filament has been identified.
  • This source emits a THz radiation which is parallel to the axis of propagation of the laser beam and which has the particularity of being much more intense and having a radiation pattern strongly stitched forward. It is thus possible to irradiate by THz radiation a target situated in the axis of propagation of the laser pulses.
  • the method according to the present invention is very simple to implement. It does not require precise alignment.
  • the filament is created in a medium that is transparent to THz radiation.
  • This medium, gaseous, solid or liquid, can advantageously be the air of the atmosphere.
  • the filament is produced in the air without the need to introduce a bias voltage.
  • the THz emission is of short duration, it has a strongly forward stitched radiation pattern, which corresponds to a collimated source without the need to use a satellite dish as in the prior art.
  • a target distant from several kilometers is irradiated by pointing the laser source, in order to place the terahertz radiation source near the target. With the present invention, it is therefore possible to irradiate a distant target without attenuation of the THz radiation due to diffraction or absorption during propagation in the air.
  • the terahertz radiation source is displaced by moving said filament along the axis of propagation of the laser beam while maintaining the fixed laser source.
  • This source THz can therefore be easily manipulated unlike the devices of the prior art.
  • To move this filament we can modify: the time phase of the ultra-intense laser pulses, and / or
  • terahertz radiation source in a plane transverse to the axis of propagation of ultra-intense laser pulses, and more generally in the whole space (displacement in three dimensions) by modifying the point of the source laser as well as modifying its characteristics as indicated above.
  • the terahertz sources of this matrix can all be activated at the same time or one after the other.
  • the invention generates a propagation of ultra-intense pulses in the form of sequences of two ultra-intense laser pulses, the time difference between the two pulses being such that two columns of Parallel plasma that overlap without overlapping completely.
  • This time difference between the two pulses is preferably less than 5ns.
  • the ultraintensive pulses are, for example, femtosecond pulses.
  • the polarization of the THz radiation can be controlled by modifying the relative position of the two filaments.
  • a device for creating a pulsed radiation source in the terahertz range comprising an ultra-intense laser source for generating a propagation of ultra-intense pulses, means for adjusting the intensity and the duration of the laser pulses so that a filament is created according to a so-called filamentation process, the terahertz radiation source being constituted by a point section of said filament, said source of terahertz radiation emitting in a transmission cone directed along the axis of propagation of ultra-intense laser pulses, this radiation source THz being provided for irradiating a target located in the propagation axis of said laser pulses.
  • FIG. 1 is a simplified schematic view of a system for implementing the method according to the present invention
  • FIG. 2 is a radiation diagram of a simple filamentation mode
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating the signal amplitude THz as a function of the time difference between two pulses during a bi-filamentation process
  • FIG. 4 is a schematic view of a system for the generation of THz radiation by bi-filamentation
  • FIG. 5 illustrates two radiation diagrams, in simple filamentation (a) and bi-filamentation (b) mode.
  • FIG. 1 shows an ultra-intense laser source 1 composed of a laser oscillator, a pulse stretcher, one or more amplification stages and a pulse compressor, or any other type ultra-intense laser. This laser source 1 is parameterized so that the emitted laser beam 2 has the following characteristics: a power of several tens to several thousand gigawatts,
  • This beam 2 passes through an optical system 3 composed of lenses or mirrors intended to modify:
  • a filament 5 is created, that is to say a column of plasma on along the laser beam, of section substantially equal to a hundred micrometers and length of the order of a few decimeters to a few decameters.
  • This filament spontaneously emits electromagnetic pulses in the range between 10GHz and several THz.
  • a point section 4 of the filament 5 then constitutes a source of THz radiation. Contrary to the theoretical models, this point source 4 emits a THz 6 radiation parallel to the axis of propagation of the laser beam 2. This radiation is measured with the aid of a radiometer (not shown in FIG. the 10 GHz band or heterodyne detection in the THz band.
  • the diagram of the THz radiation is strongly staggered forward as can be seen in FIG. 2. It is clearly seen in FIG. 2 that the THz radiation is in the same direction as the laser radiation.
  • the source THz 4 is on the axis of the filament 5 which is at a distance Zl from the optical system 3.
  • Zl by moving the filament 5. To do this, we can modify either the temporal phase of the laser pulse 2, the diameter of the laser beam 2, or its degree of convergence.
  • the displacement of the filament 5 also means the displacement of the THz source 4. With the system, according to the invention, it is thus possible to move the THz source 4 to a target that it is desired to irradiate.
  • the THz source 4 therefore does not suffer from the attenuation normally experienced by THz radiation in the air due to diffraction or absorption over long distances.
  • the source according to the invention can be produced at great distance from the user, near the object or the target to be irradiated.
  • the gray, white, and black bars respectively represent the THz signal produced by the sequence of two pulses, the first pulse, and the second pulse.
  • the THz radiation is an order of magnitude greater than each single filamentation radiation for a temporal shift less than Ins.
  • the THz emission gain gradually decreases and becomes equal to the sum of the individual THz signals for a time shift greater than 4.6ns.
  • the method according to the present invention can be implemented by means of a titanium-doped sapphire laser with a recurrence of 10 Hz, with a pulse duration equal to or greater than 100 fms, emitting around 800 nanometers and with an energy of pulse of at least 1OmJ. It is also possible to use a laser with a higher recurrence: 100 hertz or even 1 kHz provided that the energy per pulse exceeds a few mJ.
  • Figure 4 schematically illustrates a system for detecting THz radiation.
  • the femtosecond pulse leaving the femtosecond laser is cut into two pulses by a Mach-Zehnder interferometer so that the time offset between the two pulses can be continuously adjusted.
  • the collinearly propagating pulses are focused by the same convex lens to form two spatially overlapping filaments.
  • the length of the filament depends on the focusing conditions. It can especially vary from 5 to 50 centimeters for example.
  • L is a convex lens
  • D is a terahertz heterodyne detector
  • M is a metal mirror with a hole of 1 centimeter at its center.
  • the THz radiation towards the front is reflected by the metallic mirror M pierced at its center and placed at the end of the filament.
  • the mirror collects the THz radiation while transmitting the core of the filament through the small central hole (one centimeter in diameter for example).
  • the reflected THz radiation is then focused by a Teflon lens and detected by a heterodyne detector, which is sensitive to frequency components at 91 gigahertz.
  • the focal length of the lens is 2m.
  • the radiation pattern is also different between simple filamentation and bi-filamentation.
  • the maximum of the radiation intensity is on the axis of propagation (see Figure 5).
  • Figure 5 illustrates (a) an angular distribution of THz radiation generated by simple IR filamentation, and (b) an angular distribution of THz radiation generated by bi-filamentation. The two figures are not on the same scale.
  • the pierced mirror was removed and a waveguide for THz radiation was used instead of the Teflon lens.
  • the angular distribution of this THz emission was measured by rotating the detector in the horizontal plane around a point on the axis of the filament. It can be seen that the maximum intensity of radiation obtained with two pulses is located along the axis of propagation, unlike the simple filamentation case.
  • the maximum of the radiation is obtained along the direction of propagation of the laser beam.
  • the emission intensity of a bi-filamentation is linearly proportional to the length t.
  • the polarization of the radiation according to the bi-filamentation is strictly linear, instead of being radially polarized as in the case of simple filamentation. The polarization direction does not depend on the polarization directions of either laser pulse.
  • the polarization is linear and lies in the plane of the plasma filaments.
  • the spectrum reaches its maximum at the frequency of plasma ( ⁇ 1 THz) and extends to longer wavelengths decreasing along 1 / ⁇ 2 .
  • the maximum offset between two laser pulses is explained by the lifetime of the first filament.
  • the recombination time is of the order of 3 to 4 ns in the air.
  • all the energy emitted depends on the lengths and dimensions of the filaments.
  • the maximum energy that can be emitted is limited by all the energy of the plasma wave: with E p the intensity of a laser pulse, "a" the radius of the filament. This maximum energy varies with the square of the intensity of the laser pulse and the duration.
  • the plane of polarization of the THz radiation is determined by the relative position of the two filaments, which actually provides an extremely simple method for controlling the polarization of the THz radiation.
  • THz radiation can also be used for the diagnosis of genes or to observe the image of cancerous tumors.
  • Another area of application may be the security in which it is desired to detect contraband, explosives or chemical weapons concealed in packages.
  • the method according to the invention can also be used for imaging teeth, imaging integrated circuits, or counting banknotes.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour créer une source térahertz (4). Pour ce faire, on engendre un filament (5) à partir d'un faisceau laser femtoseconde (2). Le filament (5) est une colonne de plasma localisée sur l'axe de propagation du faisceau laser. La source (4) de rayonnement térahertz est constituée par l'ensemble des sections ponctuelles du filament (5). Cette source émet un rayonnement térahertz (6) selon un cône d'émission dirigé selon l'axe de propagation des impulsions laser (2). La source térahertz (4) peut être placée à proximité d'une cible à irradier. Le déplacement se fait en déplaçant le faisceau laser (2) à l'origine du filament (5).

Description

"Procédé et dispositif pour créer une source de rayonnement puisée dans le domaine des térahertz, et application mettant en œuvre un tel procédé."
La présente invention se rapporte à un procédé pour créer une source cohérente de rayonnement puisée dans le domaine des térahertz (THz) à partir d'une source laser ultra-intense émettant des impulsions de durée femtoseconde ou picoseconde. Le rayonnement térahertz (f> 10n Hertz) s'intercale entre l'infrarouge, domaine de l'optique, et les micro-ondes, domaine de l'électronique. Les récents progrès sur les lasers de haute puissance permettent la réalisation de sources laser térahertz. Parallèlement, de nombreuses applications utilisant le rayonnement térahertz sont progressivement mises en œuvre. Le rayonnement térahertz interagit fortement avec de nombreux matériaux tels que l'eau, les molécules polaires, les métaux. Par ailleurs de nombreux diélectriques restent absorbants au rayonnement térahertz. Par contre, les matériaux non polaires, non métalliques et secs sont transparents au rayonnement térahertz. Le rayonnement térahertz peut avantageusement être utilisé dans le domaine de la communication, spectroscopie ou encore de l'imagerie médicale. Toutefois, en imagerie médicale par exemple, on rencontre de nombreuses difficultés liées à la faible résolution, faible pénétration dans l'échantillon. Dans la plupart des dispositifs, le rayonnement térahertz parcourt un chemin assez long entre l'émetteur, l'échantillon et le récepteur. Ceci est préjudiciable puisqu'il impose l'utilisation d'une source de très forte puissance pour pallier l'atténuation dans le parcours d'autant plus que ce rayonnement THz est grandement absorbé par de la vapeur d'eau présente dans le parcours. Pour y remédier, on peut se limiter aux applications où la propagation a lieu dans des milieux transparents ou utiliser une source térahertz de grande puissance.
En ce qui concerne les sources térahertz, on connaît de nombreux procédés permettant d obtenir un rayonnement THz à partir d'une source laser. Une première méthode consiste à irradier un semi-conducteur polarisé par un champ électrique statique externe. Le changement quasi instantané de la densité de porteurs induit par la source laser en présence d'une tension de polarisation produit l'émission d'un champ électromagnétique dans le domaine THz. Cette émission est transmise dans l'espace libre par I intermédiaire d'une antenne.
Dans une variante de cette première méthode, lémission THz est obtenue à partir de la surface d'un semiconducteur irradiée par un laser en tirant avantage du fait qu'il existe un fort champ électrique de surface. Une troisième méthode utilise la rectification optique dans un matériau électro-optique. La rectification optique d'une impulsion laser conduit à la génération d'une impulsion enveloppe qui donne lieu au rayonnement THz.
Dans une quatrième méthode, une impulsion THz est obtenue par focalisation dans l'air d'une impulsion laser. En plaçant un champ statique au foyer du faisceau laser, on obtient un courant de polarisation dû à l'ionisation de molécules d'air. Ce courant de polarisation induit par le laser provoque un rayonnement THz. Une telle méthode est notamment décrite dans le document « Génération of terahertz puises by photoionization of electrically biased air » T. Lôffler et al., Applied Physics Letters 77, p.453-455, 2000.
Cependant, toutes ces méthodes de l'art antérieur sont difficiles à mettre en oeuvre. Elles nécessitent un alignement très précis du faisceau laser. Les première et quatrième méthodes nécessitent en outre une source de tension continue externe. Les seconde et troisième méthodes sont limitées par les seuils de dégât provoqués par le laser. Elles conduisent à des puissances émises faibles. Enfin toutes les méthodes décrites utilisent des antennes paraboliques pour extraire et collimater le rayonnement THz dans l'espace libre. Elles produisent une source THz locale qui souffre d'une forte atténuation à cause des bandes d'absorption de la vapeur d'eau présente dans l'air dans ce domaine de fréquence. L'un des principaux inconvénients est donc la forte atténuation (lOOdB/km) dans l'air.
La présente invention a donc pour but la réalisation d'une source THz utilisant un laser, simple à mettre en œuvre. L'invention a également pour but la création d'une source THz dont le rayonnement ne souffre pas du problème lié à l'atténuation, ceci pour permettre l'irradiation d'une cible distante.
On atteint au moins l'un des buts précités avec un procédé pour créer une source de rayonnement puisée dans le domaine des térahertz, dans lequel on utilise une source laser ultra-intense pour engendrer une propagation d'impulsions laser ultra-intenses dont on règle l'intensité et la durée de telle sorte que l'on crée un filament ou « filament de lumière» selon un processus dit de filamentation. En effet, au cours de la propagation d'impulsions laser intenses et de courte durée (P≥ 1010 GW), des filaments de lumière dont l'intensité dépasse 1013 W/cm2 sont formés le long de l'axe de propagation. A ce niveau d'intensité le milieu s'ionise sur le front avant de l'impulsion et voit son indice modifié ce qui a pour conséquence de modifier la propagation de l'impulsion même. Ce phénomène, initié par l'effet Kerr optique (autofocalisation), résulte d'un équilibre dynamique entre la focalisation par effet Kerr, la défocalisation par le plasma créé dans le milieu et la diffraction de l'onde optique. Il en résulte un filament de lumière intense, de longueur limitée, d'un diamètre quasi constant de l'ordre d'une centaine de micromètres, une sorte de structure autoguidée apte à se propager sur une distance dépassant de un à plusieurs ordres de grandeur la distance de Rayleigh. Dans ces conditions, une colonne de plasma constitués d'ions et d'électrons apparaît dans le sillage de l'impulsion laser (typiquement, environ 0.1% des molécules d'oxygène dans l'air sont ionisés).
La force ponderomotrice des impulsions laser produit dans le plasma un courant d'électrons oscillant à une fréquence autour de 1 THz (la densité des électrons libres produits par filamentation est d'environ 3x lO16 cm"3). Ces oscillations longitudinales de plasma sont fortement atténuées (temps de relaxation autour de 300 fs). Par conséquent, cette impulsion de courant peut être assimilée à un dipôle orienté le long de l'axe de propagation et se déplaçant à la vitesse de la lumière. Pour une longueur finie de filament, le dipôle mobile émet un rayonnement électromagnétique radialement polarisé et à large bande dû à un effet combiné Cherenkov et de transition.
L'apparition de ces charges électriques est à l'origine de la source de rayonnement térahertz selon un cône d'émission étroit dirigé selon l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intenses. La source de rayonnement térahertz est constituée par l'ensemble des sections ponctuelles du filament. Dans ce qui suit, on désigne par « filament » la colonne de plasma apparue au passage de l'impulsion ultra-intense et qui persiste bien après le passage de l'impulsion.
La colonne de plasma ou filament émet spontanément des impulsions électromagnétiques dans la gamme comprise entre 10 GHz et plusieurs THz. Jusqu'ici, cette émission THz a été observée perpendiculairement à l'axe du filament, en accord avec des modèles théoriques.
La présente invention est notamment remarquable par le fait qu'on a identifié une source de rayonnement THz, issue du filament de lumière. Cette source émet un rayonnement THz qui est parallèle à l'axe de propagation du faisceau laser et qui a la particularité d'être beaucoup plus intense et d'avoir un diagramme de rayonnement fortement piqué vers l'avant. On peut ainsi irradier par rayonnement THz une cible située dans l'axe de propagation des impulsions laser.
Le procédé selon la présente invention est très simple à mettre en oeuvre. Il ne nécessite aucun alignement précis. De préférence, on crée le filament dans un milieu qui est transparent au rayonnement THz. Ce milieu, de nature gazeuse, solide ou liquide, peut avantageusement être l'air de l'atmosphère. Le filament est donc produit dans l'air sans qu'il soit nécessaire d'introduire une tension de polarisation. L'émission THz est de courte durée, elle possède un diagramme de rayonnement fortement piqué vers l'avant, ce qui correspond à une source collimatée sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une antenne parabolique comme dans l'art antérieur. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on irradie une cible éloignée de plusieurs kilomètres en pointant la source laser, afin de placer la source de rayonnement térahertz à proximité de la cible. Avec la présente invention, on peut donc irradier une cible lointaine sans atténuation du rayonnement THz du fait de la diffraction ou de l'absorption au cours de la propagation dans l'air.
Selon un mode de mise en œuvre avantageux de l'invention, on déplace la source de rayonnement térahertz en déplaçant ledit filament le long de l'axe de propagation du faisceau laser tout en maintenant la source laser fixe. Cette source THz peut donc être facilement manipulée contrairement aux dispositifs de l'art antérieur. Pour déplacer ce filament on peut modifier : - la phase temporelle des impulsions laser ultra-intenses, et/ou
- le diamètre du faisceau laser, et/ou
- le degré de convergence du faisceau laser.
Par ailleurs, on peut également déplacer la source de rayonnement térahertz dans un plan transverse à l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intenses, et plus généralement dans tout l'espace (déplacement en trois dimensions) en modifiant le pointé de la source laser ainsi qu'en modifiant ses caractéristiques comme indiqué ci-dessus.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on peut engendrer une pluralité de filaments parallèles de façon à créer une matrice de sources THz. Les sources térahertz de cette matrice peuvent toutes être activées en même temps ou les unes après les autres.
Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, on engendre une propagation d'impulsions ultra-intenses sous forme de séquences de deux impulsions laser ultra-intenses, le décalage temporel entre les deux impulsions étant tel que l'on crée deux colonnes de plasma parallèles qui se chevauchent sans se recouvrir entièrement. Ce décalage temporel entre les deux impulsions est préférentiellement inférieur à 5ns. Les impulsions ultraintenses sont par exemple des impulsions femtosecondes. On peut dans ce cas contrôler la polarisation du rayonnement THz en modifiant la position relative des deux filaments.
Avec un tel procédé selon l'invention, de nombreuses applications peuvent être mises en œuvre telles que par exemple :
- la réalisation de l'imagerie térahertz, - la détection de molécules polaires,
- la détection de tissus biologiques, et
- la tomographie.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un dispositif pour créer une source de rayonnement puisée dans le domaine des térahertz ; ce dispositif comprenant une source laser ultra-intense pour engendrer une propagation d'impulsions ultra-intenses, des moyens pour régler l'intensité et la durée des impulsions laser de telle sorte que l'on crée un filament selon un processus dit de filamentation, la source de rayonnement térahertz étant constituée par une section ponctuelle dudit filament, ladite source de rayonnement térahertz émettant selon un cône d'émission dirigé selon l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intenses, cette source de rayonnement THz étant prévue pour irradier une cible située dans l'axe de propagation desdites impulsions laser.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels :
- La figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un système de mise en œuvre du procédé selon la présente invention,
- La figure 2 est un diagramme de rayonnement d'un mode simple filamentation,
- la figure 3 est un organigramme illustrant l'amplitude de signal THz en fonction du décalage temporel entre deux impulsions lors d'un processus de bi-filamentation,
- la figure 4 est une vue schématique d'un système pour la génération de rayonnement THz par bi-filamentation, et
- la figure 5 illustre deux diagrammes de rayonnement, en mode simple filamentation (a) et bi-filamentation (b). Sur la figure 1 on voit une source laser ultra-intense 1 composée d'un oscillateur laser, d'un étireur d'impulsion, d'un ou plusieurs étages d'amplification et d'un compresseur d'impulsion, ou tout autre type de laser ultra-intense. Cette source laser 1 est paramétrée de façon à ce que le faisceau laser 2 émis présente les caractéristiques suivantes : - une puissance de plusieurs dizaines à plusieurs milliers de gigawatts,
- une énergie de quelques dizaines à quelques centaines de millijoules,
- une durée de quelques dizaines à quelques milliers de femtosecondes. Ce faisceau 2 traverse un système optique 3 composé de lentilles ou de miroirs destiné à modifier :
- le diamètre du faisceau laser, et
- la courbure de l'onde du faisceau laser.
Le faisceau laser 2 se propage ensuite dans l'air. Selon le processus de filamentation, il se crée un filament 5, c'est-à-dire une colonne de plasma le long du faisceau laser, de section sensiblement égale à une centaine de micromètres et de longueur de l'ordre de quelques décimètres à quelques décamètres. Ce filament émet spontanément des impulsions électromagnétiques dans la gamme comprise entre 10GHz et plusieurs THz. Avantageusement, une section ponctuelle 4 du filament 5 constitue alors une source de rayonnement THz. Contrairement aux modèles théoriques, cette source ponctuelle 4 émet un rayonnement THz 6 parallèle à l'axe de propagation du faisceau laser 2. Ce rayonnement est mesuré à l'aide d'un radiomètre (non représenté sur la figure 1) à détection directe dans la bande des 10 GHz ou détection hétérodyne dans la bande THz. Le diagramme du rayonnement THz 6 est fortement piqué vers l'avant comme on peut le voir sur la figure 2. On voit clairement sur la figure 2 que le rayonnement THz se fait dans la même direction que le rayonnement laser. On peut considérer que la source THz 4 est sur l'axe du filament 5 qui se trouve à une distance Zl du système optique 3. On peut modifier Zl en déplaçant le filament 5. Pour ce faire, on peut modifier soit la phase temporelle de l'impulsion laser 2, soit le diamètre du faisceau laser 2, soit son degré de convergence. Le déplacement du filament 5 signifie également le déplacement de la source THz 4. Avec le système, selon l'invention, on peut ainsi déplacer la source THz 4 jusqu'à une cible que l'on souhaite irradier. La source THz 4, selon la présente invention, ne souffre donc pas de l'atténuation que subit normalement un rayonnement THz dans l'air due à la diffraction ou à l'absorption sur de longues distances. La source, selon l'invention, peut être produite à grande distance de l'utilisateur, près de l'objet ou de la cible à irradier.
On va maintenant décrire un mode de réalisation de la présente invention dans lequel on envoie une séquence de deux impulsions laser femtosecondes à infrarouge (IR) séparées par moins de 5ns. On parle alors de double impulsions ou de bi-filamentation. On obtient ainsi deux filaments qui se chevauchent dans l'air sans se recouvrir entièrement. Les première et deuxième impulsions produisent individuellement une émission THz selon la transition Cherenkov. Cependant, l'intensité du rayonnement THz créé par la double impulsion (bi-filamentation) est largement supérieure à celle du rayonnement créé par une simple filamentation comme on peut le voir sur la figure 3. Le diagramme de la figure 3 illustre l'amplitude du signal THz en fonction du décalage temporel entre les deux impulsions IR. Le signal produit individuellement par la première et la deuxième impulsion est également montré. Les barres grises, blanches, et noires représentent respectivement le signal THz produit par la séquence de deux impulsions, la première impulsion, et la deuxième impulsion. Avec la bi-filamentation, le rayonnement THz est d'un ordre de grandeur supérieur à chaque rayonnement simple filamentation pour un décalage temporal inférieur à Ins. Avec des décalages temporels plus grands, le gain en émission THz diminue graduellement et devient égal à la somme des signaux THz individuels pour un décalage temporel supérieur à 4.6ns.
Le procédé selon la présente invention peut être mis en œuvre au moyen d'un laser saphir dopé au titane à une récurrence de 10 Hz, de durée d'impulsions égale ou supérieure à lOOfs, émettant autour de 800 nanomètres et avec une énergie d'impulsion d'au moins 1OmJ. On peut aussi utiliser un laser à une récurrence plus élevée : 100 hertz voire 1 kHz pour autant que l'énergie par impulsion dépasse quelques mJ. La figure 4 illustre de façon schématique un système pour la détection du rayonnement THz.
L'impulsion femtoseconde sortant du laser femtoseconde est coupée en deux impulsions par un interféromètre Mach-Zehnder de sorte que le décalage temporel entre les deux impulsions peut être continûment ajusté. Après l'interféromètre, les impulsions se propageant de façon colinéaire sont focalisées par une même lentille convexe pour former deux filaments se chevauchant spatialement. La longueur du filament dépend des conditions de focalisation. On peut notamment la faire varier de 5 à 50 centimètres par exemple.
Sur la figure 4 : L est une lentille convexe,
D est un détecteur terahertz hétérodyne, et
M est un miroir métallique avec un trou de 1 centimètre en son centre.
Pour mesurer l'amplitude du rayonnement THz conformément à la figure 3, le rayonnement THz vers l'avant est réfléchi par le miroir métallique M percé en son centre et placé à l'extrémité du filament. Le miroir rassemble le rayonnement THz tout en transmettant le coeur du filament par le trou central de petite dimension (un centimètre de diamètre par exemple). Le rayonnement THz réfléchi est ensuite focalisé par une lentille en Téflon et détecté par un détecteur hétérodyne, qui est sensible aux composants fréquentiels à 91 gigahertz. La distance focale de la lentille est de 2m.
Le modèle de rayonnement est également différent entre la simple filamentation et la bi-filamentation. Pour la bi-filamentation, le maximum de l'intensité de rayonnement est sur l'axe de propagation (voir figure 5). La figure 5 illustre (a) une distribution angulaire du rayonnement THz généré par une simple filamentation IR, et (b) une distribution angulaire du rayonnement THz généré par bi-filamentation. Les deux figures ne sont pas à la même échelle.
Pour mesurer le diagramme de rayonnement conformément à la figure 5, le miroir percé a été enlevé et un guide d'ondes pour le rayonnement THz a été utilisé au lieu de la lentille en Téflon. La distribution angulaire de cette émission THz a été mesurée en tournant le détecteur dans le plan horizontal autour d'un point sur l'axe du filament. On voit que l'intensité maximum de rayonnement obtenue avec deux impulsions se trouve le long de l'axe de propagation, contrairement au cas simple filamentation.
En d'autres termes, la bi-filamentation présente un rayonnement confiné dans un cône d'angle Q=^QJl), λ étant la longueur d'onde et I la longueur occupée par les deux filaments d'une bi-filamentation. Le maximum du rayonnement est obtenu le long de la direction de propagation du rayon laser. Contrairement à l'émission d'un rayonnement longitudinal d'une simple- filamentation, qui est proportionnel à ln(f/λ), l'intensité d'émission d'une bi- filamentation est linéairement proportionnelle à la longueur t. A titre d'exemple, pour I =20cm et λ=3mm, l'intensité du rayonnement THz est multipliée par 10 entre la simple et la bi-filamentation. La polarisation du rayonnement selon la bi-filamentation est strictement linéaire, au lieu d'être radialement polarisée comme dans le cas simple filamentation. La direction de polarisation ne dépend pas des directions de polarisation de l'une ou l'autre impulsion laser.
En effet, la polarisation est linéaire et se situe dans le plan des filaments du plasma. Le spectre atteint son maximum à la fréquence de plasma (~ 1 THz) et se prolonge vers de plus longues longueurs d'onde en diminuant suivant 1/λ2. Le décalage maximum entre deux impulsions laser est expliqué par la durée de vie du premier filament. Le temps de recombinaison est de l'ordre de 3 à 4 ns dans l'air. En fait, toute l'énergie émise dépend des longueurs et des dimensions des filaments. L'énergie maximum qui peut être émise, est limitée par toute l'énergie de l'onde plasma :
Figure imgf000012_0001
avec Ep l'intensité d'une impulsion laser, « a » le rayon du filament. Cette énergie maximum varie avec le carré de l'intensité de l'impulsion laser et de la durée. Avec la présente invention, dans le cadre d'une bi-filamentation, le plan de polarisation du rayonnement THz est déterminé par la position relative des deux filaments, ce qui fournit réellement une méthode extrêmement simple pour commander la polarisation du rayonnement THz.
De nombreuses applications peuvent être mises en œuvre avec le procédé, selon l'invention, notamment dans le domaine de la spectroscopie, de l'imagerie médicale, ou encore des communications. On sait que les molécules polaires sont fortement couplées au champ THz et donnent ainsi une signature caractéristique de leur présence. Ceci permet, par exemple, la détection de gaz tel que le sarin ou la mesure de la pollution de l'atmosphère. Par ailleurs, les tissus biologiques présentent des signatures distinctes au rayonnement THz. On peut aussi utiliser le rayonnement THz pour le diagnostic de gènes ou pour observer l image de tumeurs cancéreuses.
Un autre domaine d'application peut être la sécurité dans lequel l'on souhaite détecter des articles de contrebande, des explosifs ou des armes chimiques dissimulés dans des colis.
On peut aussi utiliser le procédé selon l'invention pour l'imagerie des dents, l'imagerie des circuits intégrés, ou encore le comptage des billets de banque.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour créer une source (4) de rayonnement puisée dans le domaine des térahertz, dans lequel on utilise une source laser ultra-intense (1) pour engendrer une propagation d'impulsions laser ultra-intenses (2) dont on règle l'intensité et la durée de telle sorte que l'on crée un filament (5) selon un processus dit de filamentation, et on irradie une cible située dans l'axe de propagation des impulsions laser ; la source (4) de rayonnement térahertz (6) étant constituée par l'ensemble des sections ponctuelles dudit filament (5), ladite source (4) de rayonnement térahertz émettant un rayonnement térahertz (6) selon un cône d'émission dirigé selon l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intenses (2).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on crée le filament dans un milieu transparent.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu transparent est l'air.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on irradie une cible éloignée de la source laser ultraintense (1) en plaçant la source (4) de rayonnement térahertz à proximité de la cible.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on déplace la source (4) de rayonnement térahertz en déplaçant ledit filament (5) le long de l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intense (2).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on déplace ledit filament (5) en modifiant la phase temporelle des impulsions laser ultra-intense (2).
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'on déplace ledit filament (5) en modifiant le diamètre du faisceau laser (2) sortant de ladite source laser ultra-intense (1).
8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce qu'on déplace ledit filament en modifiant le degré de convergence du faisceau laser sortant de ladite source laser ultra-intense (1).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on déplace la source (4) de rayonnement térahertz dans un plan transverse à l'axe de propagation des impulsions laser ultraintenses (2).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on engendre une pluralité de filaments de façon à créer une matrice de sources térahertz.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les sources térahertz de cette matrice émettent toutes en même temps ou les unes après les autres.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on engendre une propagation d'impulsions ultraintenses sous forme de séquences de deux impulsions laser ultra-intenses, le décalage temporel entre les deux impulsions étant tel que l'on crée deux filaments qui se chevauchent.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le décalage temporel entre les deux impulsions est inférieur à 5ns.
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'on contrôle la polarisation du rayonnement THz en modifiant la position relative des deux filamentations.
15. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la réalisation de l'imagerie térahertz.
16. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 pour la détection de molécules polaires.
17. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 pour la détection de tissus biologiques.
18. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 pour la réalisation de la tomographie.
19. Dispositif pour créer une source (4) de rayonnement puisée dans le domaine des térahertz ; ce dispositif comprenant une source laser ultraintense (1) pour engendrer une propagation d'impulsions ultra-intenses (2), des moyens pour régler l'intensité et la durée des impulsions laser de telle sorte que l'on crée un filament (5) selon un processus dit de filamentation, la source (4) de rayonnement térahertz étant constituée par une section ponctuelle dudit filament, ladite source (4) de rayonnement térahertz émettant selon un cône d'émission dirigé selon l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intenses (2), cette source de rayonnement THz étant prévue pour irradier une cible située dans l'axe de propagation desdites impulsions laser.
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour engendrer une propagation d'impulsions ultraintenses sous forme de séquences de deux impulsions laser ultra-intenses, le décalage temporel entre les deux impulsions étant tel que l'on crée deux filaments qui se chevauchent.
21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que le décalage temporel entre les deux impulsions est inférieur à 5ns.
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