Applications des impulsions femtosecondes infrarouges : façonnage programmable et spectroscopie bidimensionnelle

Mid-infrared femtosecond pulses : programmable pulse-shaping and two-dimensional spectroscopy

• Auteur / Autrice : Thibault Vieille
• Direction : Manuel Joffre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hémoprotéines

Mots clés libres

Acousto-optique

Lasers femtosecondes

Interférométrie spectrale

Conversion de fréquence

Façonnage d'impulsion

Spectroscopie bidimensionnelle

Fonction de corrélation à deux temps

Résumé

La mise au point des lasers femtosecondes, en particulier dans le moyen-infrarouge, a ouvert une voie d’étude des systèmes biologiques, où les couplages et les fluctuations impliquent des déphasages ultra-rapides. Ce travail participe à l’élaboration d’outils pour l’étude de systèmes vibrationnels, ici la carboxy-hémoglobine HbCO. L’approche du contrôle optimal, d’une part, détermine empiriquement le profil optimal d’une impulsion en vue d’un objectif, nécessitant la programmation d’impulsions de formes arbitraires. Nous avons étudié un prototype d’une technologie acousto-optique de façonnage d’impulsions infrarouges, le Dazzler, conçu par la société FASTLITE. Pour cela, une méthode adaptée de mesure du champ, effectuant la mesure homodyne d’une réplique de l’impulsion dans le domaine visible, a été mise au point. Puis, la production et la mesure d’impulsions infrarouges de formes complexes comprenant un saut de phase spectrale, ont été réalisées, montrant l’adéquation du Dazzler pour des expériences de contrôle cohérent dans les hémoprotéines. D’autre part, la spectroscopie multidimensionnelle mesure la réponse non-linéaire d’un échantillon, constituant un outil puissant d’étude de la surface de potentiel. Un spectromètre bidimensionnel a donc été finalisé, qui combine une géométrie simplifiée, une excellente résolution, une procédure d’auto-calibration itérative et précise, et une solution simple pour éliminer la principale source de bruit. Des mesures de la fonction de corrélation à deux temps de la fréquence de résonance du CO ont enfin été comparées à des résultats préliminaires issus d’avancées théoriques récentes, montrant un accord prometteur pour leur validation.

Mid-infrared femtosecond lasers have recently provided a new tool to study complex ultrafast dynamics, especially in biological systems such as hemeproteins. Using these lasers, two kind of powerful experiments can be planned. The first type contains optimal control experiments, in which the principle is to find the optimal shape of a pulse in order to reach one desired final state. This approach requires a way to produce an arbitrary shape of pulses, so in a first part we have worked on a new kind of linear programmable acousto-optic pulse-shaper called Mid-infrared Dazzler, which is produced by the company FASLITE. For this sake, we have implemented a new method to measure weak mid-infrared pulses with complex shapes, based on the homodyne detection of a replica of the mid-infrared field into the visible domain. Then, we have produced and measured shaped pulses which exhibit complex shapes like pi-steps in the spectral phase. This demonstrates the ability of the Dazzler to be used in optimal control experiments with hemeproteins. The second type of experiments contain the multidimensional coherent spectroscopy experiments, which are powerful tools to probe ultrafast dynamics since the principle is to measure the complete non-linear response function, which permits to disentangle the different microscopic informations. We have finalized the building of an innovative two-dimensional spectrometer, which exhibits a simple geometry, an excellent spectral resolution in both axes, an iterative and very precise self-calibration method, and a simple and efficient trick to remove the signal from scattering. Our first measurements of the Frequency-frequency correlation function of the CO vibration bound to Hemoglobin shows a promising agreement with recent progress in the modelization of ultrafast fluctuations.