L’ARPES est utilisé pour cartographier la structure complète des bandes électroniques des conducteurs et des isolants, entre autres. La spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (TR-ARPES) ajoute une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde, ce qui permet également de résoudre les processus de diffusion élémentaires dans la structure des bandes électroniques.

Pour éviter les problèmes de charge spatiale (répulsion des électrons entre eux), un seul électron ou moins doit être produit et analysé par tir laser. L’application nécessite donc des sources à énergie modérée et à fréquence de répétition élevée, et une mesure complète dure généralement 4 heures à 200 kHz.

La gamme d’amplitude des lasers à ytterbium, tels que le SatsumaX et le Tangor 100, en fait des sources d’alimentation idéales pour cette application. Des modules supplémentaires tels que COMPRESS et la chambre HHG, combinés au Fastlite twinStarzz MIR OPA, sont des dispositifs de pointe permettant de construire une configuration TR-ARPES unique à partir d’un seul fournisseur.

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Dynamique structurelle ultrarapide avec diffraction des rayons X

La diffraction des rayons X est une technique qui fournit des informations sur la dynamique ultra-rapide de la structure de la matière à l’échelle atomique. L’échantillon est généralement excité par une première impulsion laser ultra-courte dans l’ultraviolet, le visible, l’infrarouge moyen ou même le térahertz, puis sondé par un faisceau de rayons X synchrotron ou à électrons libres, ou encore par une source de rayons X compacte alimentée par laser, comme présenté dans la section Sources secondaires – Sources de rayons X.

Lorsque la pompe et la sonde sont produites par deux systèmes distincts, le balayage temporel est effectué à l’aide d’une synchronisation électronique du laser esclave (généralement la pompe) avec la source maître (généralement la sonde).

Dans le cas de sources laser pour la pompe et la sonde, la synchronisation est intrinsèquement ultraprécise, et le balayage est réalisé à l’aide d’une simple ligne à retard optique variable avec une précision de l’ordre de la femtoseconde. Amplitude propose une large gamme de solutions pour la pompe optique et la sonde à rayons X et leur balayage temporel : sources OPCPA pompées par des lasers à ytterbium, pilotes laser pour sources de rayons X laser, lasers à photocathode pour FEL/synchrotron pour sources de rayons X basées sur des accélérateurs. Dans chaque cas, la synchronisation électronique est une technologie clé pour assurer le balayage temporel.

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Principe de la génération de fréquence somme

Cette technique nécessite un chevauchement temporel et spatial entre une sonde infrarouge moyen et une pompe visible sur l’échantillon. Un signal SFG est alors généré à une fréquence qui correspond à la somme des deux fréquences des champs incidents. Cela permet de convertir l’empreinte moléculaire d’intérêt de l’infrarouge moyen, où elle est difficile à observer, vers le visible, où des méthodes de détection peu coûteuses, rapides, pratiques et efficaces sont disponibles. Les propriétés du faisceau SFG fournissent la composition, les distributions d’orientation et les informations structurelles des molécules aux interfaces gaz-solide, gaz-liquide et liquide-solide.

La pompe visible doit être spectralement étroite pour atteindre une résolution spectrale suffisante et ainsi distinguer les empreintes vibrationnelles des espèces. Cependant, alors que le balayage d’impulsions infrarouges moyennes à bande passante étroite était autrefois la configuration moderne la plus courante, les systèmes OPA infrarouges moyens à large bande sont désormais utilisés comme sonde pour couvrir une large gamme de vibrations moléculaires, généralement de 1 000 à 4 000 cm-1.

Les systèmes OPA à infrarouge moyen Fastlite twinStarzz pompés par SatsumaX ou Tangor sont des outils idéaux pour cette application, combinant un rendement élevé et des taux de répétition élevés pour permettre des rapports signal/bruit plus élevés et des temps d’acquisition plus courts. L’approche unique de twinStarzz permet de générer des impulsions infrarouges moyennes énergétiques et à large bande avec une simplicité, une fiabilité et une efficacité sans précédent. La pompe visible à bande passante étroite est générée via une génération innovante de seconde harmonique (SHG) de la pompe à ytterbium.

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Applications et exigences

Afin de capturer des dynamiques ultra-rapides avec une bonne résolution temporelle, des impulsions <100 fs sont couramment utilisées pour la 2DIR, tandis que des impulsions <20 fs sont courantes pour la 2DES.

• La 2DES est un outil très puissant pour comprendre la dynamique de la photosynthèse et constitue un outil essentiel pour améliorer les technologies actuelles en matière d’énergie solaire.
• La 2DIR est largement utilisée dans les études pharmaceutiques.
• Récemment, certaines combinaisons de ces deux techniques ont même permis de corréler la dynamique électronique et nucléaire (2DEV pour la spectroscopie vibrationnelle électronique bidimensionnelle).

Si les lasers à ytterbium, tels que le SatsumaX et le Tangor100, couplés à l’OPA Fastlite twinStarzz, constituent d’excellents candidats pour cette application, le Fastlite Dazzler est indispensable pour la plupart des configurations, car il simplifie considérablement la génération d’impulsions de pompage verrouillées en phase, ainsi que le contrôle du retard et de la variation de phase entre elles. En d’autres termes, le Dazzler transforme immédiatement une simple configuration de pompage/sonde en une configuration de spectroscopie 2D.

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Solutions laser pour THz-TDS

Comme mentionné dans la section Sources secondaires – Génération de térahertz, différents lasers et processus de conversion peuvent être utilisés en fonction de l’énergie d’impulsion et de la gamme spectrale utilisées. Amplitude propose une large gamme de solutions :

• Pour la génération de térahertz à large bande avec filamentation bicolore, les lasers TiSa ultra-courts ont été largement utilisés, et aujourd’hui, les lasers Ytterbium post-compressés suscitent un intérêt croissant.
• Pour la rectification optique dans les cristaux organiques, les lasers Ytterbium sont généralement préférés.
• Pour les cristaux organiques, les sources MIR OPCPA constituent la meilleure option.

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Lasers ultra-rapides pour sources compactes à haute luminosité

Les laboratoires ont rapidement identifié que les lasers ultra-rapides avaient la capacité de surmonter ces limites grâce à un nouveau processus physique. Un faisceau à haute intensité focalisé sur une cible solide produit un plasma chaud dans un espace très confiné. Les électrons présents dans le plasma sont ensuite convertis en rayons X lorsqu’ils frappent la cible, comme dans les tubes conventionnels, mais avec une intensité beaucoup plus élevée lorsque les paramètres laser appropriés sont sélectionnés.

Cette technique basée sur le laser permet, entre autres :

• L’obtention de sources de luminosité nettement supérieures à celles des tubes à rayons X,
• Une résolution spatiale beaucoup plus élevée associée à une dose déposée réduite,
• Un accès plus large pour tous à des résultats fiables provenant de sources synchrotron.

Nous sommes convaincus que cette nouvelle source de rayons X va révolutionner le monde de l’imagerie médicale, en donnant accès à des images haute résolution dans les hôpitaux dans les années à venir.

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Les techniques de diffusion Rayleigh et Raman utilisent la lumière laser pour étudier les processus de combustion. Le signal diffusé fournit des informations sur la composition moléculaire, la température et les propriétés d’écoulement, permettant ainsi une analyse détaillée de la dynamique de combustion.

Diffusion Thomson pour le diagnostic du plasma

Le plasma est un état de la matière caractérisé par la présence d’une proportion importante de particules chargées, sous forme d’ions ou d’électrons. Il est principalement caractérisé par la densité, la température et la distribution dans l’espace de chaque particule chargée composant le plasma.

Diagnostic du plasma : diffusion Thomson

La diffusion Thomson consiste à éclairer un plasma avec un laser et à analyser la lumière diffusée afin de déterminer la température et la densité des électrons.

Diagnostic de la structure : diffraction et absorption des rayons X

Lorsque la matière est placée dans des conditions extrêmes (par exemple, haute pression ou température), des sources de rayons X sont utilisées pour analyser ses propriétés :

• Diffraction des rayons X (XRD) : révèle l’évolution structurelle du matériau.
• Spectroscopie d’absorption des rayons X : fournit des informations sur l’environnement atomique local. Les techniques utilisées comprennent :
  • XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) pour obtenir des informations sur l’état électronique et chimique.
  • XAFS (absorption des rayons X à structure fine) pour des informations détaillées sur la structure à l’échelle atomique.

Les lasers ultra-rapides à haute énergie d’Amplitude, des systèmes Ti:Sapphire aux plateformes Ytterbium, offrent la stabilité, la mise en forme des impulsions et la précision nécessaires pour réaliser des diagnostics avancés dans les domaines de la science de la combustion, de la physique des plasmas et des études sur les matières extrêmes.

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Stratégies de compression et d’allumage

La fusion par confinement inertiel (ICF) consiste à concentrer des faisceaux laser à haute énergie pendant quelques nanosecondes sur une cible sphérique contenant du combustible afin de comprimer et de chauffer la cible de manière adiabatique, puis à utiliser des faisceaux laser supplémentaires pour déclencher le processus de fusion nucléaire. L’objectif final est de produire de l’énergie dans des centrales électriques, appelée énergie de fusion inertielle (IFE). Cela nécessite de fournir des faisceaux laser avec une puissance moyenne totale et un rendement électrique suffisants pour produire une quantité d’énergie significative et rentable pour le réseau.

Même si les stratégies de compression et d’allumage varient encore parmi les experts de la communauté, il existe un besoin commun de lasers de classe kJ, fonctionnant soit à quelques impulsions/minute pour la phase de recherche exploratoire, soit à un taux de répétition élevé (typiquement 10 Hz) et un rendement électrique élevé pour la phase d’exploitation.

Pour la compression, l’un des aspects techniques clés est la capacité à modeler le profil temporel des impulsions laser afin d’optimiser le processus de compression. Cette fonctionnalité est assurée grâce à un seeder flexible couramment utilisé dans les lasers nanosecondes Amplitude (Intrepid & Agilite).

Pour l’allumage, l’une des stratégies consiste à produire des protons qui pénétreront la cible comprimée et déclencheront le processus de fusion. Comme mentionné dans la section Sources secondaires, la génération de protons repose sur la qualité du contraste temporel du driver laser.

La fusion inertielle par Amplitude

Amplitude est le leader dans le domaine des lasers nanosecondes à haute énergie, avec des réalisations significatives au cours de la dernière décennie, principalement pour le pompage de lasers à haute intensité à taux de répétition élevé. Ce savoir-faire unique est un point de départ essentiel pour le développement rapide de solutions répondant aux défis de la fusion inertielle.

De plus, notre longue expérience dans les lasers à haut contraste place Amplitude à l’avant-garde de l’aventure de la fusion.

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