Le laser : un outil de contrôle et de mesure en photochimie

Abstract

Au cours de ma thèse, j’ai travaillé sur trois projets de recherche distincts. Ils ont en commun l’utilisation d’impulsions laser malgré des approches très différentes. Deux de ces projets ont le même objectif : suivre temporellement la structure des molécules lors de processus photochimiques femtosecondes (et attosecondes). Enfin, le troisième projet propose deux nouveaux schémas de contrôle laser lors d’inversion de population vers un état d’énergie doublement dégénéré. Tout d’abord, nous avons étudié expérimentalement le processus de collision électron-molécule tel qu’induit par une impulsion laser intense. Le paquet d’ondes électronique éjecté lors de l’ionisation oscille sous l’action de la composante électrique du champ laser et revient à l’ion parent sous la forme d’un train d’impulsions électroniques attosecondes. Pour pouvoir caractériser temporellement ce train d’impulsions électroniques, il nous faut une horloge ayant une précision sub-femtoseconde (fs). « L’horloge moléculaire » peut offrir une telle résolution temporelle : cette méthode consiste à utiliser les vibrations de l’ion moléculaire généré lors de l’ionisation pour déterminer le temps écoulé entre l’émission d’un électron dans le continuum et le retour de cet électron à l’ion parent. Ce concept a été démontré expérimentalement avec la molécule d’hydrogène. Ceci nous a permis de confirmer la structure temporelle du train d’impulsions électroniques. Ces impulsions peuvent à leur tour être utilisées pour étudier la dynamique moléculaire suivant l’ionisation. Nous avons utilisé cette approche pour étudier la dynamique de l’ion D2+. Nous obtenons une résolution temporelle de 200 attosecondes et une résolution spatiale de l’ordre de 0.05 Â. Ces résultats sont présentés aux chapitres 1 et 2. Ensuite, nous avons étudié l’explosion coulombienne induite par une impulsion laser à quelques cycles optiques. Nous avons tout d’abord étudié expérimentalement la double ionisation de D2. Nous mesurons la structure de avec une résolution de 0.3 Â. En utilisant le concept d’horloge moléculaire développé au chapitre 1, nous montrons que le temps moyen pour que la double ionisation soit complète est de 4 fs lorsque l’impulsion laser a une durée de 8.6 fs et une intensité avoisinant 1015 W/cm2. Ce temps est suffisamment court pour penser utiliser l’explosion coulombienne laser comme sonde dans des expériences de dynamique moléculaire. En utilisant la spectroscopie de coïncidence et des impulsions laser ~8 fs, nous avons étudié l’explosion coulombienne de D2O via D204+ -> D+ + 02+ + D+ et celle de S02 via S027+-> 02+ + S3+ + O2+. Nous montrons qu’il est possible de mesurer la structure de petites molécules avec une résolution spatiale similaire à celle atteinte pour D2. Enfin, nous avons réalisé deux expériences pompe-sonde avec nos impulsions ~8 fs. Dans ces expériences, l’impulsion pompe, moins intense, démarre la dynamique par ionisation multiphotonique. L’impulsion sonde mesure subséquemment la structure moléculaire, à différents délais, par explosion coulombienne. En utilisant l’ion D2+, nous démontrons qu’une résolution temporelle d’environ 5 fs est atteinte. Enfin, nous montrons qu’il est possible de distinguer si une dissociation est symétrique ou asymétrique en sondant S023+ 0+ + S+ + 0+, S022+ 0+ + S+ + O et S022+ SO+ + 0+ par explosion coulombienne via l’état S027+ -> 02+ + S3+ + O2+ nous montrons que le canal S022+ 0+ + S+ + O n’a aucun intermédiaire S02+. Ces résultats sont présentés aux chapitres 3 à 5. Finalement, je propose deux schémas de contrôle laser. Le transfert de population entre états quantiques est un sujet qui a été grandement étudié dans la littérature. Plusieurs techniques optiques ont été proposées mais aucune lorsque l’état final est doublement dégénéré. J’étudie ce cas par simulation numérique de l’équation de Schrödinger dépendante du temps pour un système à 4 niveaux. Le contrôle est possible en utilisant l’effet Stark et en modulant temporellement la fréquence de l’impulsion laser qui effectue le transfert de population. Je confirme les résultats de mes simulations par un modèle analytique. [Symboles non conformes]