Avec cette photo du laser à Excimer géant PROMETHEUS j’aimerais montré la dimension physique d’un laser avec une énergie de 600mJ en 200fs @ 248nm par rapport

à mon laser EMG201  qui lui sort 1000mJ en 10ns @ 248nm !

Raccourcir la durée de pulse d’un facteur de 50’000 fois nécessite un e technologie complexe (élargissement de la raie spectrale de l’amplificateur obtenu par l’augmentation de la pression dans la cavité, gros volume d’excitation due à une section de faisceau nécessaire pour éviter la saturation, préionisation par rayon X,
tension de décharge du Mégavolt en quelques nanoseconde) .

Je vais t’expliquer ce qu’est réellement PROMETHEUS, pourquoi ça fonctionne, en quoi il est fondamentalement différent d’un excimer “classique”, et pourquoi on ne peut pas généraliser facilement ce concept. PROMETHEUS : ce que c’est vraiment

PROMETHEUS est un laser excimer KrF (248 nm) :

• Durée d’impulsion : ~200 fs

• Énergie : jusqu’à ~600 mJ

• Puissance crête : ~3 TW

• Fonctionnement à très haute pression

• Bande spectrale intrinsèquement élargie

👉 Ce n’est pas un excimer ns compressé après coup.
👉 C’est un excimer femtoseconde dès la génération.

Le point clé : PROMETHEUS n’est PAS un excimer standard

Un excimer KrF classique :

• pression typique : 1–3 bar

• durée d’impulsion : 10–30 ns

• bande spectrale : très étroite

• dynamique lente (décharge, cinétique collisionnelle)

PROMETHEUS, lui, fonctionne dans un régime extrême :

1️⃣ Très haute pression (dizaines de bars effectifs)

• Forte collisionnal broadening

• Largeur de raie naturellement très large

• Bande suffisante pour supporter ~200 fs sans compression externe

👉 La bande spectrale n’est pas créée par SPM, mais par la physique du milieu amplificateur lui-même.

2️⃣ Décharge ultra-rapide et homogène

Décharge électrique sub-nanoseconde

• Plasma très uniforme

• Gain établi avant toute relaxation vibrationnelle

👉 Le gain existe pendant un temps comparable à 200 fs, ce qui est totalement inhabituel pour un excimer.

3️⃣ Fonctionnement “quasi-impulsif” du milieu

Dans PROMETHEUS :

• le milieu ne stocke pas l’énergie

• il la rayonne immédiatement

• pas de traîne ns

👉 C’est plus proche, conceptuellement, d’un laser à transition ultrarapide que d’un excimer classique.

 Pourquoi la bande spectrale est suffisante

Pour 200 fs à 248 nm :

Δν≈0.44200 fs≈2.2 THz\Delta\nu \approx \frac{0.44}{200\,\text{fs}} \approx 2.2\ \text{THz}Δν≈200fs0.44​≈2.2 THz $$\Delta \lambda \approx 0.5\text{–}0.7\text{nm}$$

PROMETHEUS atteint cette bande directement dans le gain KrF, grâce à :

• la pression

• la température électronique

• les collisions

• l’absence de narrowing cavité (ou cavité très courte / amplificateur ASE)

Pourquoi 600 mJ en 200 fs est possible

Parce que :

• l’énergie est extraite sur un grand volume

• pas de fibre

• pas de solide

• pas de limitation Kerr

• pas de dommage optique intracavité (optique minimale)

👉 Tout se passe dans le gaz, à grande section.

 PROMETHEUS vs autres solutions UV fs

PROMETHEUS joue dans une autre catégorie :
👉 TW UV fs direct.

 Pourquoi ce concept n’est pas généralisé

❌ 1. Ingénierie extrême

• Pressions très élevées

• Décharges homogènes ultra-rapides

• Commutation électrique hors norme

• Fenêtres UV géantes à très haut LIDT

❌ 2. Durée figée

• 200 fs typique

• pas facilement compressible plus court

• CEP non contrôlé

❌ 3. Très peu d’équipes capables

• dispositifs uniques

• pas industriel

• pas “clé en main”

👉 C’est un laser de démonstration scientifique, pas une plateforme générique.

Pourquoi PROMETHEUS valide tout ce qu’on a dit avant

Règle générale (que tu as bien intégrée) :

On ne peut pas compresser du ns en fs sans bande initiale.

PROMETHEUS ne viole pas cette règle :

• il génère directement une large bande

• il n’utilise pas la SPM

• il ne passe pas par des fibres

👉 La bande fs est native, pas créée artificiellement.

 Résumé ultra-clair

✔️ PROMETHEUS est un vrai laser excimer femtoseconde
✔️ La bande spectrale est intrinsèque au KrF à haute pression
✔️ 600 mJ / 200 fs = régime TW UV
❌ Ce n’est pas reproductible facilement
❌ Ce n’est pas une solution “compressible”
❌ Ce n’est pas une architecture générique

1️⃣ Architecture interne probable de PROMETHEUS

(décharge – électrodes – cavité)

🧠 Philosophie générale

PROMETHEUS n’est pas un oscillateur laser classique.
C’est un amplificateur excimer femtoseconde à grande ouverture, fonctionnant proche de l’ASE contrôlée, dans un régime de décharge ultra-brève et ultra-homogène.

👉 Il faut oublier l’image :

« excimer + cavité + miroirs »

 1.1 Milieu actif et pression

• Gaz : Kr / F₂ / Ne (ou He)

• Pression effective : très élevée

  • bien au-delà des 1–3 bar classiques

  • typiquement plusieurs dizaines de bar équivalents collisionnels

• Objectif :

  • collisionnal broadening massif

  • élargissement intrinsèque de la raie KrF

👉 La bande spectrale n’est pas sélectionnée — elle est imposée par la pression.

 1.2 Décharge électrique (élément clé)

⚡ Décharge sub-nanoseconde

• Front de montée : < 500 ps

• Durée effective du gain : quelques centaines de fs à 1 ps

• Pas de régime quasi-stationnaire

👉 Le gain n’existe que brièvement, sur une durée compatible avec 200 fs.

 Génération de la décharge

• Commutation extrême :

  • Marx generator

  • ou Blumlein pulsé

  • ou Pockels-like HV switch

• Tension :

  • très élevée

  • montée ultra-rapide

• Courant :

  • très fort

  • mais très bref

 1.3 Électrodes

Géométrie probable

• Électrodes planes larges

• Séparation importante (cm)

• Champ extrêmement homogène

Pourquoi ?

• éviter les filaments

• éviter les arcs

• garantir un gain spatialement uniforme

👉 On cherche un plasma froid, dense et uniforme, pas une décharge filamentaire.

 1.4 Cavité / optique

⚠️ Point capital : cavité minimale ou absente

PROMETHEUS fonctionne très probablement en :

• single-pass amplifier

• ou double-pass

• ou cavité très courte, très ouverte, sans narrowing

Car :

• toute cavité longue rétrécirait la bande

• toute sélection spectrale détruirait la durée fs

👉 L’optique interne est réduite au strict minimum :

• fenêtres UV géantes

• pas d’éléments intracavité dispersifs

• pas d’éléments Kerr

1.5 Pourquoi 600 mJ est possible

• Grande section transverse (cm²)

• Pas de fibre

• Pas de solide

• Pas de dommage Kerr

• Énergie extraite volumiquement

👉 C’est un laser de volume, pas un laser de guide.

Comparaison PROMETHEUS vs KrF classique vs NOPA UV

📊 Tableau comparatif clair

 Lecture physique

KrF classique

• Gain lent

• Narrowing naturel

• Aucune chance fs

NOPA UV

• Conversion indirecte

• Très flexible

• Mais énergie limitée

PROMETHEUS

• Génération fs native

• Pas de SPM

• Pas de compression

• Mais durée figée

3️⃣ Limites théoriques : durée minimale possible pour KrF

C’est la question la plus intéressante.

 3.1 Largeur de bande maximale du gain KrF

Même à très haute pression, la bande KrF est limitée par :

• la structure vibronique de l’excimère

• les collisions

• la durée de vie de l’état excité

Ordre de grandeur réaliste :

Δλmax≈0.8–1.2 nm\Delta\lambda_{\text{max}} \approx 0.8\text{–}1.2\ \text{nm}Δλmax​≈0.8–1.2 nm

 3.2 Durée minimale transform-limited

À 248 nm :

Δν=cλ2Δλ\Delta\nu = \frac{c}{\lambda^2}\Delta\lambdaΔν=λ2c​Δλ

Pour Δλ ≈ 1 nm :

Δtmin≈120–150 fs\Delta t_{\text{min}} \approx 120\text{–}150\ \text{fs}Δtmin​≈120–150 fs

👉 Limite fondamentale du KrF : ~100 fs, pas beaucoup moins.

3.3 Pourquoi <100 fs est quasi impossible

• Le gain ne supporte pas plus de bande

• Les collisions détruisent la cohérence

• Le plasma n’est plus homogène

• Le jitter temporel domine

👉 Même théoriquement :

KrF ne peut pas être un laser sub-50 fs

PROMETHEUS est déjà proche de la limite ultime.

Résumé final ultra-clair

Architecture

✔️ Décharge sub-ps
✔️ Très haute pression
✔️ Grande ouverture
✔️ Pas de cavité sélective

Comparaison

✔️ PROMETHEUS = seul excimer fs direct
✔️ NOPA = flexible mais moins énergétique
✔️ KrF classique = hors jeu pour fs

Limites fondamentales

✔️ KrF ≈ 100–200 fs minimum
❌ Impossible d’aller à 10 fs ou 5 fs
❌ Compression inutile et impo