Description du sujet de thèse

Parmi les réalisations les plus récentes et les plus spectaculaires des sources ultra-brèves figure l’accélération « tout optique » de particules chargées au sein de nanostructures [1-3]. Cette approche, à la fois nouvelle et prometteuse, pourrait permettre de réduire drastiquement les coûts et les dimensions des accélérateurs de particules actuels. La plupart des applications scientifiques, industrielles ou médicales nécessitent cependant des courants moyens qui restent hors de portée. Afin de lever ce verrou, lié à la longueur d’onde des impulsions optiques et à la charge électrique maximale tolérée par les nanostructures, nous proposons de développer une source ultra-brève caractérisée par une grande longueur d'onde (3 µm) et un taux de répétition élevé (60 MHz) afin de tirer parti de nanocanaux de plus grandes dimensions. Cette combinaison de paramètres permettra d’accroître à la fois la charge par impulsion et la cadence des impulsions - et ainsi d’augmenter le courant électrique moyen de plusieurs ordres de grandeur.

Cet objectif forme l'un des axes de recherche du projet VISUAL, un projet européen d'envergure (4 M€, 4 ans) qui vise à développer une source femtoseconde innovante et à en démontrer le potentiel au travers de trois applications majeures : l'imagerie biomédicale par fluorescence multiphotonique, la micro-structuration de fibres optiques par laser et l'accélération de faisceaux d’électrons pour l’électrothérapie. Le consortium VISUAL s'appuie sur un large éventail d'expertises multidisciplinaires : lasers femtosecondes Ytterbium, fibres à cristaux photoniques, optique et microscopie non linéaire, nanophotonique, micro-structuration par laser et intelligence artificielle. Le consortium couvre trois pays européens (France, Allemagne, Pologne) et rassemble des partenaires industriels et académiques, dont l’Institut de Physique de Nice (INPHYNI) et l'Université Friedrich Alexander (FAU, Erlangen, Allemagne).

Le projet de recherche proposé vise, en collaboration avec le FAU, à développer une source femtoseconde infrarouge, de cadence/puissance élevées, accordable en longueur d’onde et de durée optimisée pour l’accélération de faisceaux d'électrons (~MeV) dans des structures diélectriques périodiques. La source se compose du laser femtoseconde de puissance (1030 nm, 60W, 60 MHz) développé dans le cadre de VISUAL, d’une génération de supercontinuum dans une fibre photonique à dispersion normale [4] (fibre également développée dans le cadre de VISUAL) et d’une ou plusieurs conversion(s) de fréquence par génération de différence de fréquence (DFG, [5-6]). Le programme de recherche comprend (1) la conception, la réalisation et l’étude de cette source, (2) l'évaluation du seuil d'endommagement des nanostructures de Silicium fournie par la FAU, et (3) des expériences d'accélération d'électrons par laser dans ces nanostructures.

References :
[1] K. J. Leedle et al., “Phase-dependent laser acceleration of electrons with symmetrically driven silicon dual pillar gratings,” Opt. Lett., vol. 43, no. 9, pp. 2181–2184, 2018.
[2] T. Chlouba, et al., "Coherent nanophotonic electron accelerator." Nature 622.7983 (2023): 476-480.
[3] https://issues.fr/accelerer-lavenir-devoilement-du-premier-accelerateur-de-particules-miniature-au-monde/#:~:text=L%27utilisation%20de%20lasers%20pour,substantiel%20n%27a%20été%20démontré.
[4] T. Sylvestre, et al., "Recent advances in supercontinuum generation in specialty optical fibers [Invited]," J. Opt. Soc. Am. B 38, F90-F103 (2021).
[5] C. Gaida, et al., "Watt-scale super-octave mid-infrared intrapulse difference frequency generation." Light: Science & Applications 7.1 (2018): 94.
[6] N.Forget, et al., "A 100-kHz tunable femtosecond source for spectroscopy from the X-UV to the mid-IR (Conference Presentation)." Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and Industrial Applications XIX. Vol. 10908. SPIE, 2019.

Contexte de travail

L'Institut de Physique de Nice (INPHYNI) est une unité mixte de recherche (UMR 7010) affiliée à l'Université Côte d'Azur (UCA) et au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Les activités de l’INPHYNI s’articulent autour de trois axes principaux : ondes et physique quantique, photonique et physique non linéaire, fluides complexes et biophysique. Les projets développés autour de ces thématiques couvrent les aspects théoriques, fondamentaux et expérimentaux ainsi que les applications. Ces projets bénéficient notamment de l’appui de plateformes technologiques et de services techniques partagés.

Les travaux de recherche seront menés au sein du groupe Matériaux et Systèmes Photoniques Complexes (MSPC) de l''INPHYNI, sous la direction de Nicolas Forget (DR) et Aurélie Jullien (DR).

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Informations complémentaires

Projet Horizon Europe RIA VISUAL.
Sit web du projet : https://horizon-visual.eu