Génération d’harmoniques d’un faisceau laser dans un cristal semi-conducteur

Willemn Boutu (LIDyL), Marc Hanna (LCF)

Les faisceaux porteurs de moment angulaire orbital (OAM) ont conduit à des applications étonnantes dans divers domaines, de l’information quantique à la microscopie. Ces faisceaux sont générés principalement dans le visible, et l’extension récente dans le domaine XUV par génération d’harmoniques d’ordre élevé (GH) ouvre la voie à la réalisation de vortex nanométriques.

La GH est produite ici en focalisant dans un semi-conducteur une impulsion laser femtoseconde à des éclairements élevés (1011 à 1013W/cm²). Les mécanismes de la GH dans les semiconducteurs sont différents de ceux qui se produisent dans les atomes et molécules, en raison de la forte densité d’émetteurs, de la structure de bandes et des symétries du cristal. Le milieu de génération étant à « l’état solide », la miniaturisation d’une source XUV attoseconde (1 attoseconde = 10-18 seconde) est envisageable, ainsi que son intégration dans des dispositifs optoélectroniques. L’utilisation pour des applications passe par le contrôle et le façonnage de la lumière générée. Nous avons récemment montré qu’il était possible de générer des vortex optiques de topologie variable. Ces faisceaux OAM présentent un front d’onde hélicoïdal autour d’une singularité de phase et une distribution d’intensité annulaire. Afin de réaliser des vortex nanométriques, nous avons « nano-structuré » directement la sortie du semiconducteur (ZnO) en une lentille de Fresnel en spirale (spiral zone plate, SZP). La SZP combine la focalisation et la manipulation du moment angulaire orbital pour créer un vortex optique focalisé (figure de gauche). Ces faisceaux OAM autofocalisants ont été étudiés dans plusieurs configurations dont la géométrie SZP hors axe qui a permis d’obtenir un vortex de 400 nm de diamètre intérieur avec un excellent contraste dans l’ordre 1 (figure de droite). D’autres dispositifs basés sur des métasurfaces sont envisagés afin de manipuler la lumière au-delà de la limite de diffraction, pour le contrôle notamment de la polarisation et du moment angulaire orbital. Les applications sont nombreuses dans le piégeage optique, la manipulation quantique à l’échelle nanométrique ou encore l’écriture de domaines magnétiques topologiques

A gauche : Principe de la génération d’harmoniques d’un faisceau laser dans un cristal semi-conducteur. La lentille de Fresnel en spirale (SZP), à la surface de sortie du cristal, permet la création d’un vortex optique. A droite : Résultat expérimental pour une SZP hors axe (image de microscopie électronique à balayage). Mesure de la distribution d’intensité de l’harmonique d’ordre 5 au niveau du plan focal pour l’ordre zéro et le premier ordre de diffraction, pour lequel on mesure une distribution d’intensité annulaire du vortex optique.

Référence : David Gauthier, Shatha Kaassamani, Dominik Franz,Rana Nicolas, Jean-Thomas Gomes, Laure Lavoute, Dmitry Gaponov, Sébastien Février, Gaëtan Jargot, Marc Hanna, Willem Boutu and Hamed Merdji. Orbital angular momentum from semiconductor high-order harmonics.  Optics Letters 44, 546 (2019). 

Résultats obtenus dans le cadre du projet High repetition rate Laser hArmonics in Crystals (HILAC) financé par le thème 3 du LabEx PALM et porté par Willem Boutu (LIDyL).