Laboratoire de sources femtosecondes

Unique au monde, le Laboratoire de sources femtosecondes, aussi connu sous le nom d’Advanced Laser Light Source (ALLS), est une infrastructure de recherche de calibre international axée sur la mise en place d’un nouveau type de laser aux applications révolutionnaires. Il est une constituante des installations de recherche de pointe de l'Infrastructure de nanostructure et de femtosciences (INF).

Photo : Josée Lecompte

Le Laboratoire de sources femtosecondes (ALLS) permet le développement de sources de rayonnement allant de l’infrarouge aux rayons X de très haute énergie et produisant des impulsions ultrabrèves. Il ouvre un terrain d’exploration en imagerie dynamique des molécules et des systèmes complexes tels que les protéines.

ALLS regroupe plusieurs institutions canadiennes ainsi que la plupart des laboratoires d’importance œuvrant dans le domaine de la technologie laser aux États-Unis, en France, en Autriche, en Suède, en Allemagne, en Italie, en Grèce et au Japon. Il met à profit l’expertise de 72 chercheurs de haut calibre en physique, en laser et optique, en chimie, en informatique, en biologie, en médecine et en biochimie.

Le Laboratoire de sources femtosecondes (ALLS) met en place d’un nouveau type de laser aux applications révolutionnaires. Un système laser femtoseconde (10-15) multifaisceau permet d’atteindre des impulsions ultrabrèves, de l’ordre de l’attoseconde (10-18), donnant ainsi l’occasion de multiplier les possibilités, comme caractériser la structure fine de la matière et étudier en temps réel des mécanismes chimiques et biologiques inaccessibles jusqu’à ce jour comme :

  • Suivre le fonctionnement en temps réel des molécules (cinéma moléculaire)
  • Caractériser la structure fine de la matière
  • Étudier en temps réel des mécanismes chimiques et biologiques inaccessibles jusqu’à présent
  •  Déterminer la composition des atmosphères stellaires
  • Réduire la taille des équipements (par exemple les scanners), des composants électroniques et des dispositifs photoniques

Au cœur de l’infrastructure ALLS se trouvent trois systèmes laser Titane : saphir. Ce sont les outils qui permettent d’atteindre de hautes intensités et des résolutions temporelles femtosecondes. L’infrastructure est aussi dotée d’équipements et d’instruments spécifiquement reliés à la photonique ultrarapide.

 

Systèmes Laser 

Laser Multi kHz

Ce laser délivre des impulsions femtoseconde amplifiées à haut taux de répétition avec une énergie par impulsion relativement élevée. Ce système est adapté aux applications demandant de hauts ratio signal-sur-bruit ou demandant une accumulation sur grand nombre d’évènements.

 

Laser 10/100Hz

Le système 10/100 Hz est un système hybride qui offre un compromis idéal entre le taux de répétition des impulsions et l’énergie disponible par impulsion. Il peut fournir assez d’énergie pour des applications demandant des intensités bien au-dessus du seuil d’ionisation des molécules, comme les interactions avec les plasmas et les procédés impliquant des électrons relativistes.

 

Laser 500TW

C’est le plus puissant laser disponible au Canada. Avec une puissance crête au-delà de 500 TW, le faisceau peut être focalisé sur des cibles solides ou gazeuses avec une intensité de champ extrêmement élevée. Les intéractions Laser-matière dans de telles conditions mènent à la génération de sources secondaires aux propriétés uniques.

 

Amplificateur paramétrique optique (OPA)

Deux OPAs sont disponibles dans l’infrastructure ALLS. Ils permettent de convertir la longueur d’onde fondamentale des lasers Titane-Saphir (800 nm) à l’aide de différents procédés paramétrés. Cela permet une variation continue de 200 nm à 20 microns dans le régime femtoseconde avec différentes efficacités de sortie. Un OPA est pompé à l’aide d’un système laser de 2.5 kHz et l’autre à l’aide d’un faisceau de 100 Hz.

 

Extensions et terminaux

Modules de compression externe

Il est possible de diminuer encore la durée d’impulsion accessible sur le laser Multi kHz ou les OPAs en utilisant le montage de fibres optiques « hollow-core ». Il est possible d’obtenir des impulsions laser de quelques cycles (few-cycles) à différentes longueurs d’ondes : 800 nm, 1400 nm et 1800 nm.

 

Détection coïncidente

Cette chambre d’expérience est utilisée en parallèle du système laser Multi kHz et avec l’OPA correspondant. Elle permet la détection de fragments de molécules issus de l’ionisation sous différents champs laser. Cet outil est essentiel pour les applications d’imagerie moléculaire dynamique.

 

Génération de hautes harmoniques

Cette chambre d’expérience est utilisée en parallèle du système laser 100 Hz et avec l’OPA correspondant. Elle permet la génération et la détection de radiations qui sont des harmoniques du champ laser fondamental. Cette chambre inclue un jet de gaz pulsé ainsi qu’un spectromètre XUV capable d’une bonne résolution et efficacité jusqu’à des énergies de photon de 1keV.

 

Ligne rayons-x bétatron

La ligne Ratons-X bétatron, obtenue à l’aide d’un procédé « laser wakefield » (LWFA) utilisant le laser à haute puissance de ALLS, permet des contrastes de phase haute résolution et de l’imagerie X de haut rendement à 50keV. La durée des impulsions de rayons-X, qui est de 30fs, offre la possibilité d’étudier la dynamique de systèmes complexes grâce à la spectroscopie d’absorption des rayons X résolue dans le temps dans le domaine femtoseconde. Les électrons accélérés par LWFA sont manipulés à l’aide d’optique électronique et un ondulateur, premier pas vers un laser à électrons.

 

Instruments et Métrologie 

L’infrastructure ALLS inclut aussi  plusieurs instruments reliés à la photonique ultrarapide qui sont accessibles aux utilisateurs :

  • Caméras CCD
  • Spectromètres XUV/VIS/NIR/IR
  • Caméra X-CCD
  • Puissancemètre
  • Photodiodes
  • Camera Streak
  • SPIDER
  • TG-FROG
  • Autocorrelateurs
  • Corrélateurs troisième ordre
  • Senseurs de front d’onde
  • Spectromètre électronique (game 500MeV-GeV)

Pour accéder aux installations du Laboratoire de sources femtosecondes (ALLS), vous devez soumettre une lettre d’intention. Contactez-nous pour en savoir plus.

Entre autres, la technologie laser trouve des applications en photonique, en métallurgie et dans le domaine du biomédical, une aide précieuse à la chirurgie optique et à l’imagerie médicale.

 

Imagerie médicale

  • Radiographie de tissus avec très haute résolution (rayons-X)
  • Détection plus précoce des calcifications cancéreuses
  • Microscopie optique cellulaire
  • Imagerie optique non effractive de tumeurs

Des applications des sources X pourront servir à la détection des métastases de très petites dimensions, ce qui devrait permettre un diagnostic précoce du cancer du sein (mammographie). Des applications sont également envisagées pour la microscopie des tissus. Le laser permet de visualiser l’aspect tridimensionnel de la cellule. La technologie laser constitue également une méthode d’imagerie non destructive, non effractive et sans contact qui permet de visualiser la structure des tissus biologiques sous la peau. Le diagnostic optique est fondé sur les propriétés optiques des tissus. Il rend possible un suivi de longue durée sans danger notable pour le patient.


Thérapie

  • Protonthérapie pour le traitement de tumeurs
  • Chirurgie optique

Les champs laser extrêmes qui peuvent être produits permettront d’accélérer des protons jusqu’à des énergies suffisantes pour envisager le traitement par protonthérapie avec des machines à la fois de petites dimensions et de coût moindre. Les faisceaux laser ultrarapides sont en quelque sorte de véritables scalpels. Leur précision et leurs caractéristiques permettent de considérer la destruction radicale et brève de la matière avec une très grande précision, limitée là où l’intensité est la plus grande. En effet, ils peuvent traverser des épaisseurs entières pour aller travailler dans la masse sans que ni la surface ni le chemin traversé ne soient atteints (ex. : chirurgie de la cornée).


Photonique

  • Accroître la performance des communications optiques et l’intégration de réseaux.
  • Caractériser et fabriquer les matériaux et dispositifs utilisés dans l’industrie des semi-conducteurs et des télécommunications pour la validation des équipements de production.

Le contrôle de dispositifs au moyen de photons et le transfert d’information codée temporellement rendent la photonique ultrarapide extrêmement intéressante pour les nouvelles technologies de télécommunication. La possibilité de contrôler la structure de la matière et, par conséquent, ses propriétés optiques, sur une échelle de temps très rapide offre de nombreuses possibilités d’application dans le domaine des télécommunications : taux très élevés de transmission de données (systèmes intelligents et commutation ultrarapide).

Le Laboratoire de sources femtosecondes (ALLS) a reçu un financement du Fonds de collaboration internationale, de la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI) et du gouvernement du Québec.

Personnes-ressources

François Légaré
Professeur et responsable scientifique
Téléphone : 514 228-6871
Courriel : francois.legare@emt.inrs.ca

Laboratoire de sources femtosecondes (ALLS)

Institut national de la recherche scientifique

Centre Énergie Matériaux Télécommunications

1650, boul. Lionel-Boulet

Varennes (Québec)  J3X 1S2

Canada

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Site Web du ALSS