Symposium Schawlow-Townes sur la photonique 2022

Interférométrie attoseconde

La science attoseconde représente un champ d’études encore nouveau, mais qui a rapidement évolué au cours des dix dernières années. L’un des aspects fondamentaux de la spectroscopie attoseconde réside dans sa cohérence. L’obtention d’une cohérence interne constitue un défi de premier plan dans ce domaine, car il s’agit d’une étape clé pour parvenir à reconstituer la dynamique sous-jacente. Comme dans bien d’autres branches de la physique, on obtient cette cohérence grâce à l’interférométrie. Dans mon exposé, je décrirai des modèles évolués d’interférométrie attoseconde dont l’application nous fournit des données directes sur divers phénomènes naturels incontournables comme la pénétration par effet tunnel et la photo-ionisation dans les systèmes atomiques ou les phénomènes chiraux ultrarapides et les impulsions attosecondes dans les solides.  

La première partie de ma présentation portera sur l’étude d’un phénomène de champ fort fondamental, soit l’ionisation par effet tunnel induit par champ laser. Grâce à l’interférométrie tout optique, nous sommes parvenus à modifier la barrière de potentiel au cours de l’effet tunnel et à exciter des électrons voyageant sous cette barrière. On peut également appliquer l’interférométrie induite dans le domaine spatial. En modelant les trajectoires des électrons en deux dimensions, nous avons pu induire un interféromètre spatial microscopique et étudier les propriétés des systèmes moléculaires dans l’espace. Enfin, nous avons utilisé l’interférométrie attoseconde pour explorer la dynamique des sous-cycles dans la matière condensée, pour comprendre la dynamique de la bande interdite induite par champ laser ou pour étudier la phase de Berry accumulée pendant l’interaction du champ fort.  

Mémoires quantiques à large bande : des protocoles aux plateformes

Les mémoires quantiques, qui permettent de stocker des photons uniques et de les récupérer sur demande, sont appelées à jouer un rôle clé dans les communications quantiques terrestres à longue distance. Outre leur utilisation classique dans les répéteurs quantiques, plusieurs applications non conventionnelles de cette technologie ont été proposées pour améliorer les protocoles de traitement et de détection quantique. Dans cet exposé, je décrirai les mémoires quantiques à large bande qui ont été mises au point au Conseil national de recherches au cours des dix dernières années. Je présenterai deux protocoles servant à stocker les photons – la diffusion Raman et la conversion de fréquence intracavité par commutation (en anglais, SWIFT) – ainsi que les plateformes que nous utilisons, soit le diamant brut et les cavités optiques à fibre. Ces mémoires, qui peuvent stocker de courtes impulsions lumineuses (de 100 femtosecondes à 10 picosecondes) pendant un bref laps de temps (de 10 picosecondes à 10 microsecondes), se prêtent mieux aux applications non conventionnelles évoquées plus haut. Enfin, je décrirai les premières avancées réalisées dans ces applications, notamment la conversion de fréquence quantique et le dédoublement du faisceau, qui peuvent toutes deux être effectuées pendant le stockage du photon.

L’imagerie à la vitesse de la lumière

La technologie des détecteurs monophotoniques a considérablement évolué au cours des dernières années. Il existe maintenant des capteurs d’appareil photo qui non seulement sont sensibles à des photons uniques, mais dont chaque pixel fournit de l’information sur le temps d’arrivée des photons à l’échelle de la picoseconde. Cette sensibilité et cette résolution temporelle sans précédent ouvrent la voie à de nouvelles applications prometteuses comme l’imagerie en temps de vol, l’imagerie hors ligne de visée par écho laser, l’observation à travers des milieux denses ou l’imagerie 3D ultrarapide. Dans mon exposé, je parlerai des récentes avancées des technologies photo, mais aussi des derniers résultats obtenus par mon équipe dans l’estimation de poses 3D à l’aide de détecteurs monophotoniques à faible résolution branchés en réseaux neuronaux, ainsi que de l’avenir de cette technique dans les méthodes de réidentification de personnes. 

Microscopie assistée par ordinateur : imagerie par diffraction cohérente de photons et d’électrons

Depuis son invention au 17e siècle, le microscope à lentilles (microscope optique, confocal, électronique, à contraste de phase, à fluorescence, à super-résolution, etc.) a joué un rôle déterminant dans l’évolution des sciences et des technologies modernes. En 1999, une nouvelle forme de microscopie – connue sous le nom d’imagerie par diffraction cohérente (en anglais, CDI), de microscopie sans lentille ou de microscopie assistée par ordinateur – a vu le jour et transformé notre conception de cette méthode scientifique en remplaçant la lentille de verre par un algorithme informatique. La communauté scientifique était enfin parvenue à résoudre le problème de phase à l’aide d’un suréchantillonnage et d’algorithmes itératifs. Depuis, on utilise des méthodes de CDI comme la CDI à ondes planes, la ptychographie (CDI à balayage) et la CDI de Bragg pour diverses applications des sciences physiques et biologiques faisant appel au rayonnement synchrotron, aux lasers à électrons libres, à la génération d’harmoniques élevées et à la microscopie optique et électronique. Pendant mon exposé, je présenterai les plus récentes percées méthodologiques réalisées dans ce domaine en rapide expansion et je décrirai plusieurs applications interdisciplinaires d’importance.