Caractérisation d’un amplificateur XUV OFI par amplification d’harmonique

Dispositif expérimental

La chaîne laser infrarouge

Les expériences ont été réalisées dans la salle jaune du LOA qui accueille le laser le plus puissant du Laboratoire. Ce laser est une chaîne de technologie saphir dopé au titane pouvant délivrer en routine des impulsions de 35 fs de durée, d’énergie de l’ordre du Joule, Caractérisation d’un amplificateur XUV OFI par amplification d’harmonique Chapitre 3 : Caractérisation d’un amplificateur XUV OFI par amplification d’harmonique 62 à une cadence de 10 Hz dans le domaine de l’infrarouge (IR) centrées autour de 810 nm. L’amplification de ce laser IR est obtenue par une méthode appelée « par dérive de fréquence ». Cette méthode dite CPA (Chirped Pulse Amplification) [101] consiste à étirer temporellement les impulsions dans un milieu dispersif (prisme ou réseau) puis à amplifier ces impulsions étirées sans craindre les phénomènes non linéaires dûs aux fortes intensités et enfin à les comprimer temporellement pour retrouver la durée initiale. Nous allons maintenant décrire dans le détail le fonctionnement de cette chaîne laser [102] qui est schématiquement représentée sur la Figure 3.1. La source du système est un oscillateur Ti :Sa à blocage de mode qui émet à une cadence de 88 MHz un train d’impulsions de 2 nJ de 15 fs de durée dont le spectre est centré à 810 nm et d’une largeur à mi-hauteur de l’ordre de 50 nm. Les impulsions sont étirées temporellement jusqu’à 400 ps par un étireur de type Offner. Un modulateur acousto-optique (Dazzler) permet de modifier la structure spectrale des impulsions et ainsi de compenser le rétrécissement du spectre par le gain et d’optimiser la phase spectrale pour une meilleur compression des impulsions [103]. Le laser est ensuite injecté dans trois étages amplificateurs successifs. Le premier amplificateur est un amplificateur « 8 passages » qui permet d’atteindre une énergie de 2 mJ à une cadence de 10 Hz. A la sortie d’un deuxième amplificateur « 5 passages », l’énergie atteinte est de l’ordre de 200 mJ. Le faisceau est filtré spatialement et injecté dans le dernier amplificateur. Celui-ci est pompé par 6 lasers de pompe de 1,2 J chacun. A chaque changement d’amplificateur le faisceau est « agrandi ». Il est refroidi par un cryostat qui permet de maintenir sa température à -150° afin de minimiser les effets de lentille thermique qui sont toujours délicats à compenser [104]. Le faisceau est finalement séparé en deux à l’aide d’une séparatrice (90-10 %). Les 10 % du faisceau, que nous appellerons faisceau secondaire ou faisceau « sonde », serviront pour la génération d’harmoniques d’ordre élevé et les 90 % du faisceau serviront à la création du plasma amplificateur et est appelé faisceau principal ou faisceau « pompe ». Les deux faisceaux sont finalement comprimés à l’aide de compresseurs indépendants placés sous vide pour éviter des effets non linéaires qui peuvent se produire dans l’air. Après compression, la durée des impulsions est de l’ordre de 35 fs . L’énergie du faisceau principal est de l’ordre de 1,3 J alors que celle du faisceau secondaire est de l’ordre de 100 mJ. Les dimensions sont de 60 mm et 35 mm de diamètre pour respectivement le faisceau pompe et le faisceau sonde. Chapitre 3 : Caractérisation d’un amplificateur XUV OFI par amplification d’harmonique 63 Pour corriger le front d’onde du faisceau principal et ainsi assurer une focalisation optimale, un miroir déformable a été implémenté en sortie de compresseur.

Chaîne laser XUV

Description du dispositif expérimental Le dispositif de génération du laser XUV injecté utilisé au LOA est présenté dans la Figure 3.2. Il se compose de deux parties distinctes permettant respectivement de produire le faisceau harmonique (l’injecteur) et de l’amplifier dans un plasma (l’amplificateur).  La source harmonique d’injection est générée avec le faisceau « sonde ». Après avoir été comprimé, ce dernier repasse à l’air à travers un hublot. Le faisceau passe par une ligne à retard motorisée qui permet de synchroniser l’arrivée du faisceau d’injection dans l’amplificateur XUV avec le « moment du meilleur gain ». Le faisceau est focalisé par une lentille de 1,5 mètre de focale. L’optimisation du signal harmonique se fait au moyen d’un diaphragme à iris permettant d’ajuster l’énergie et de modifier la géométrie du foyer. Le foyer du laser se situe quelques millimètres avant la cellule de gaz placée dans une enceinte à vide. La tache focale varie de 100 à 200 µm de diamètre selon le diamètre de l’iris. La cellule de gaz est alimentée en continu et la pression du gaz est régulée électroniquement.  Pour focaliser le faisceau harmonique dans la cellule de gaz de l’amplificateur nous utilisons un miroir torique recouvert de platine comme le montre la Figure 3.2. Toutes les longueurs d’onde harmoniques émises par la cellule de gaz sont ainsi collectées et focalisées à l’entrée du plasma amplificateur. Ce miroir est utilisé en incidence rasante, avec un angle d’incidence de 84 degrés, pour laquelle il présente une réflectivité autour de 80 % à 32 nm. Il est conçu pour fonctionner en géométrie 1–1,5 m, c’est à dire qu’il est disposé à 1 m de la source harmonique et qu’il forme une image de la source harmonique à une distance de 1,5 m. Le grandissement est donc dans ce cas G = 1,5. Cette géométrie assure un recouvrement maximal de la zone de gain dont les dimensions transverses sont inférieures à 100 µm. Le plasma amplificateur est, quant à lui, créé en focalisant le faisceau pompe dans une cellule remplie de Krypton dont la longueur peut varier entre 0 et 20 mm. La Figure 3.4 est une photographie prise du dessus de l’enceinte où est créé le plasma amplificateur. Une représentation du faisceau infra rouge nous permet de mieux apprécier le chemin optique qu’il parcourt dans l’enceinte. Le faisceau est conduit vers l’optique de focalisation (un miroir sphérique de 1 m de focale) à l’aide d’une série de miroirs plans. Le dernier miroir est percé en son centre afin de laisser passer le laser focalisé. Afin d’adapter la polarisation du laser aux meilleures conditions de pompage, une lame quart d’onde dont les axes peuvent être modifiés sous vide a été disposée sur le trajet du faisceau. Ce miroir de focalisation est percé au centre pour le passage du faisceau harmonique. Le réglage de ce miroir motorisé permet d’optimiser la position du foyer du laser à l’entrée de la cellule de krypton.La tache focale a un diamètre de l’ordre de 38 µm (à 1/e2 ), ce qui est proche de la limite de diffraction que nous estimons à 33 µm avec une longueur de Rayleigh de 1,4 mm. Un exemple de tache focale après correction du miroir déformable est présenté sur la Figure 3.5. Nous remarquons la présence d’un anneau autour de la tache centrale caractéristique d’une structure de diffraction. Nous avons estimé qu’un tiers de l’énergie totale se trouve dans l’anneau et dans le pied de l’impulsion. Compte tenu des pertes d’énergie après les nombreuses réflexions sur les optiques et compte tenu de la fraction importante d’énergie en dehors de la tache centrale, nous pouvons estimer que l’intensité maximale au foyer est de l’ordre de 8.1017 W/cm2 .  La cellule de gaz dans laquelle est produit le plasma amplificateur est fixée sur un système de platines de translation motorisées qui permet d’en contrôler la position dans les trois directions. L’entrée et la sortie sont fermées par de minces feuilles métalliques. Une fois le laser aligné sur son axe, la cellule de gaz est percée de part en part par le laser. Elle est continuellement alimentée en krypton pour qu’il y règne une pression constante et homogène. Toutefois, le gaz s’échappe inexorablement vers le vide de l’enceinte par les trous de la cellule ce qui peut induire une extension du plasma hors de la cellule.

Ajustement du couplage injecteur-amplificateur

 Afin d’assurer l’amplification du faisceau harmonique à 32,8 nm il est nécessaire que les couplages spatial, temporel et spectral soient parfaitement et simultanément ajustés. La première étape, et souvent la plus contraignante, est le couplage spectral à 32,8 nm. Celle-ci consiste à accorder la longueur d’onde d’une harmonique (ici l’harmonique 25) à celle de la longueur d’onde de transition 4d-4p à 32,8 nm. Ce réglage est réalisé en ajustant la phase spectrale du laser générateur. En effet, sachant que les harmoniques sont essentiellement générées sur le front montant de l’impulsion laser, le contrôle de la dérive de fréquence permet de faire varier finement les longueurs d’onde harmoniques émises. Ainsi, en modifiant le tirage du compresseur du laser de pompe des harmoniques (distance entre les réseaux), le changement de la dérive de fréquence modifie la fréquence instantanée au moment de l’émission sur le front avant de l’impulsion ce qui décale le spectre harmonique.L’accordabilité des harmoniques en fonction de la distance entre les réseaux de compression du laser de pompe est illustrée sur la Figure 3.7. Toutefois dans le cas montré ici, nous voyons très bien que la longueur d’onde harmonique n’atteint jamais parfaitement la longueur d’onde souhaitée à 32,8 nm.