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« Centre Optique et Lasers d’Aquitaine »
COLA est une plateforme unique en Europe de lasers fournissant des impulsions lasers ultracourtes accordables quasi-continûment dans une très large gamme spectrale allant des rayons X aux ondes THz. Cette ressource lasers est dédiée à de nombreuses études expérimentales de pointes concernant la physique des lasers, la physique des plasmas, l’optique non linéaire, la physique et la chimie moléculaire, la physique et la chimie du solide, ainsi que la caractérisation de nano objets.
La gamme spectrale disponible est de 0,24 µm à 22 µm pour les sources femtosecondes accordables et de 75 µm à 3 mm pour la source large bande picoseconde.
En complément d’autres sources sont mises en place pour générer des ondes THz large bande.
La Plateforme COLA actuelle au LOMA
La base de cette plateforme est une source laser Titane Saphir amplifiée. Cette source génère sur deux voies en parallèle deux faisceaux IR. Chacune de ces voies délivre des impulsions de largeur temporelle 50 fs, à une cadence de 1 kHz, de longueur d’onde 800 nm et d’énergie 4,5 mJ.
- Sur la voie 1
2 mJ servent exclusivement à pomper deux amplificateurs paramétriques modèle TOPAS-C, le premier couplé à deux mélangeurs permet d’accorder la longueur d’onde de 240 nm à 2650 nm, le second associé à un module de génération par différence de fréquences permet d’accorder la longueur d’onde de 1160 nm à 21000 nm. Le reste de l’énergie IR est fractionnée, utilisée à 800 nm ou doublée à 400 nm pour les différents besoins expérimentaux.
- Sur la voie 2
1,7 mJ sont injectés dans deux amplificateurs paramétriques modèle TOPAS, le premier couplé à deux mélangeurs couvre la gamme 240 nm – 2510 nm, le second associé à un module différence de fréquences couvre la bande 1160 nm – 12000 nm. Le reste de l’énergie à 800 nm est dédiée majoritairement à différents bancs de spectroscopie THz résolue en temps. L’un d’entre eux utilisé en routine permet une caractérisation dans la bande spectrale 100 GHz – 3,5 THz. D’autres en cours d’élaboration permettront des caractérisations très large bande (génération plasma), ou à des énergies THz plus fortes (génération dans s-LiNBO3 par tilt du front d’onde).
Plateforme actuelle COLA
Les sources accordables
Ces lignes de lumière sont surtout utilisées dans le cadre d’expériences de physique moléculaire. Un banc de spectroscopie optique résolue en temps, basée sur une technique classique « pompe-sonde » permet grâce à l’étendue des longueurs d’onde disponibles (UV-Vis-NIR) d’étudier les modes électroniques et vibrationnels de différentes molécules avec une dynamique de quelques dizaines de femtosecondes à plusieurs centaines de picosecondes.
Ce système expérimental a déjà servi à l’étude de la dynamique de complexes organo-métalliques à transition de phase photo-induite (fig 1).
La courbe présentée ci-dessus illustre le type de mesures qui sont réalisées, dans ce cas précis on observe une faible transition de quelques dizaines de femtosecondes relaxant sur plusieurs centaines de picosecondes.
Figure1 Phen2Fe : mesure d’absorption transitoire dans une solution de Phen2Fe(II)/ACN avec une longueur d’onde d’excitation de 480nm et une longueur d’onde sonde de 520nm
La ligne THz
En parallèle des expériences optique « pompe-sonde » une ligne THz a été développée, qui permet de réaliser indifféremment de la spectroscopie THz classique ainsi que des expériences de pompe optique et sonde THz. La gamme de fréquence explorée va de 100GHz à 3,5 THz. La figure 2 illustre les performances de ce montage et donne un exemple de son utilisation.
En complément de ce banc THz très classique, deux autres sources vont être rapidement mises au point:
- une première qui sera très large bande avec une génération type plasma et une détection adaptée dans un cristal de GAP (bande spectrale envisagée 100 GHz – 7 THz).
- une seconde source qui génèrera des impulsions THz « haute énergie » (plusieurs µJ) grâce à un cristal type s-LiNBO3 pompé à 800 nm par un faisceau à front d’onde incliné avec une énergie de l’ordre de 1 mJ.
Figure 2: a) le banc de spectroscopie THz confiné dans une enceinte à air sec nous permet de caractériser des échantillons sur une bande spectrale allant de 100 GHz à 4 THz. b) spectre d’absorption de l’eau lorsque l’onde THz se propage dans une atmosphère non contrôlée. c) mesure de l’indice d’un polymère (PEHD) aux fréquences THz
Les Ressources
Sources accordables UV-Vis-NIR. La gamme spectrale explorée s’étend de 240 nm à 21000 nm.
Banc de spectroscopie THz (configuration classique ou système pompe optique sonde THz) – La source et le détecteur sont deux cristaux de ZnTe taillés (110) d’épaisseur 200 µm. L’onde THz est collectée par quatre miroirs métalliques paraboliques hors axe matérialisant une ligne de propagation 4f.
Les impulsions femtosecondes sont amplifiées par une cavité régénérative et deux amplificateurs simple passage.
Le gain énergétique est proche de 1.5.106.
Les spécifications de la source COLA
Au LOMA, COLA1 est opérationnelle depuis l’année 2008.
1. Les impulsions femtosecondes accordables.
L’une des voies est exclusivement dédiée à des mesures spectroscopiques. Deux amplificateurs paramétriques optiques (« TOPAS-C ») conçus par « Light Conversion » sont intégrés sur cette ligne. Chacun est pompé avec une énergie d’1 mJ et l’ensemble constitue une source accordable de 240 nm à 22 µm.
Les différentes longueurs d’ondes fournies permettent d’étudier des modes électroniques ou vibrationnels de nombreuses molécules avec une dynamique temporelle s’étendant de quelques dizaines de femtosecondes à plusieurs centaines de picosecondes.
Fig. 2 : courbe d’efficacité en fonction de l’accordabilité, TOPAS-C-7484
Fig. 3 : courbe d’efficacité en fonction de l’accordabilité, TOPAS-C-7485
Fig. 4 : absorption duPhen2Fe(II)/ACN avec excitation @ 480 nm et sonde @ 520nm
2. Les rayons T.
La seconde voie est dédiée à la spectroscopie THz résolue en temps, elle est distribuée vers plusieurs dispositifs expérimentaux.
Parmi ceux-ci, un banc de spectroscopie permet de caractériser les matériaux dans la gamme spectrale de 100 GHz à 3.5 THz. Les Figure 6, Figure 7 et Figure 8 montrent la réponse typique d’un cristal de BBO mesurée à l’aide de ce dispositif (Figure 5). Ce banc est aussi synchronisé avec deux autres amplificateurs paramétriques optiques (“TOPAS” de “Light Conversion”) qui délivrent des faisceaux optiques accordables de 240 nm à 11 µm. Cet ensemble permet de réaliser des expérimentations de type pompe optique / sonde THz dont l’originalité est d’utiliser une lumière laser femtoseconde accordable pour exciter les matériaux tout en mesurant leurs réponses dans le domaine THz.
En complément, d’autres montages sont conçus pour générer des ondes THz intenses.
Figure 5 : banc THz large bande. Domaine de fréquences 100 GHz – 3.5 THz
Figure 6 : Signaux THz sans échantillon et avec un cristal de BBO
Figure 7 : Spectre fréquentiel des signaux mesurés
Figure 8 : Fonction de transfert du cristal de BBO
3. Instruments de détection.
Les bancs mis en place permettent de caractériser tous types d’échantillons (solides, liquides, cristaux ou gaz). Ils sont associés à des outils de détection adaptés à toutes les gammes de longueurs d’ondes couvertes par nos sources. Les montages expérimentaux sont équipés de spectromètres, de détections synchrones, de cartes d’acquisition, de photodiodes et de détecteurs pyroélectriques…
La température des échantillons peut être contrôlée avec des fours, et des cryostats refroidis à l’azote ou à l’Hélium.
Tous les montages sont pilotés par ordinateurs grâce à des interfaces logiciels développés avec « LABView ».
Contact
Un comité d’étude des demandes composé de chercheurs et de responsables techniques se réunit régulièrement pour évaluer les différentes expérimentations.
Les demandes des industriels ou des scientifiques hors sites font l’objet d’un aménagement du plan de charge et des ressources humaines.
Toute demande d’accès à la plateforme COLA avec des équipements implique de la part du comité le renvoi à minima d’un devis.
En fonction du besoin, l’offre comprendra l’affichage d’un coût incluant le temps d’adaptation de la source (si nécessaire) à l’expérience, l’utilisation d’un ou plusieurs équipements, la durée et la mise à disposition des compétences techniques et scientifiques.
Si l’étude fait appel à un savoir faire et est de courte durée il sera établi un contrat de prestation.
Enfin un contrat de collaboration sera conclu dans le cas ou l’étude fait appel aux compétences de la plateforme mais entre dans le cadre d’une recherche.
Afin de couvrir l’ensemble de vos besoins le laboratoire Ondes et Matière d’Aquitaine met à votre disposition des plateaux techniques scientifiques de caractérisation et une seconde plateforme d’imagerie, n’hésitez pas à consulter les pages Plateaux et Plateformes du site du laboratoire.
Pour toute demande d’accès à la Plateforme COLA veuillez faire parvenir votre demande par email à l’adresse suivante à Théo Guillaume et Jérôme Degert.