Contrôle spectral actif des harmoniques

En tant que source de photons XUV ultracourte en vue d’applications, les harmoniques présentent l’avantage sur le laser X par exemple de couvrir une large bande spectrale, à travers les différents ordres harmoniques du plateau. Or, les ordres harmoniques nominaux correspondent à des fréquences qui sont des multiples impairs de la fréquence du laser excitateur. Pour le laser infrarouge que nous avons utilisé, les énergies de photons d’harmoniques consécutives sont séparées d’environ 3eV. L’intérêt de la démonstration du contrôle spectral des harmoniques est de montrer qu’on peut jouer sur la longueur d’onde des harmoniques et idéalement être capable de déplacer une harmonique donnée de 1,55 eV dans un sens et dans l’autre pour pouvoir couvrir ainsi toutes les longueurs d’ondes du domaine XUV, comme le peuvent déjà les installations synchrotron. Comme nous l’avons vu précédemment, l’optimisation des harmoniques est relativement complexe en ce sens qu’elle implique des phénomènes couplés spatialement et temporellement, tant au niveau macroscopique que microscopique. De nombreux auteurs ont déjà souligné l’importance de l’élargissement spectral des harmoniques dû entre autres, au rôle de la phase atomique et de l’ionisation progressive du milieu [1],[2],[3]. Des démonstrations expérimentales de la possibilité de réduire cet élargissement ont été réalisées en vue d’obtenir des harmoniques distinctes les unes des autres, et brillantes spectralement, y compris dans la gamme spectrale proche de la coupure. Dans les références [2] et [3] notamment, ce contrôle de l’émission harmonique est obtenu en pré-compensant le chirp induit lors de la génération des harmoniques, par un chirp sur le laser infrarouge. Enfin, le groupe de H. Kapteyn et M. Murnane aux Etats-unis a obtenu des résultats importants de contrôle de l’émission harmonique, par utilisation d’un algorithme génétique pilotant un contrôle spectral du laser excitateur [4] et [5]. Ils ont ainsi été capables d’optimiser de façon préférentielle une seule harmonique du spectre : la brillance spectrale de l’harmonique 27 est augmentée d’un facteur 8 alors que pour les ordres harmoniques adjacents l’augmentation est seulement de 2. Ce résultat est toutefois assez controversé car il n’a pu être redémontré expérimentalement par les équipes concurrentes. Les études précédentes se concentrent essentiellement sur la brillance spectrale ou le caractère discret des spectres, mais assez peu sur la valeur effective de la longueur d’onde centrale d’une harmonique. Notre optimisation de la génération d’harmoniques s’est fixé cet objectif en utilisant un algorithme génétique pilotant un contrôle actif de la phase et l’amplitude spectrales du laser infrarouge. Dans une première partie, nous exposerons les processus physiques qui peuvent induire une modification spectrale de l’émission harmonique. Nous présenterons ensuite le dispositif expérimental qui nous a permis d’obtenir un contrôle spectral des harmoniques, pour conclure par une comparaison des résultats expérimentaux avec les prédictions de notre code, ayant ici pour conditions initiales les formes temporelles de l’impulsion laser infrarouge correspondant à l’optimisation.

Nous allons par la suite expliciter chacun des termes apparaissant dans l’équation (6.3) et montrer son influence sur les spectres harmoniques obtenus. En pratique, le champ harmonique en sortie résulte de l’intégrale des termes de propagation sur toute la longueur du milieu. On obtient le spectre harmonique total en faisant la transformée de Fourier du champ harmonique dépendant du temps. Les résultats théoriques présentés sont issus du code de propagation 1D adapté de la sorte au domaine spectral. Les harmoniques étant par nature des sous-multiples impairs de la longueur d’onde du laser, la méthode la plus évidente pour contrôler la longueur d’onde des harmoniques est d’accorder le laser infrarouge, ou tout au moins de faire varier au cours de l’impulsion, la valeur de sa fréquence centrale. C’est le premier effet d’un contrôle de l’amplitude et de la phase spectrales du laser. Les impulsions ultracourtes utilisées pour générer des harmoniques sont caractérisées par un spectre relativement large lié à la grande largeur spectrale du gain du cristal de Titane Saphir. Le laser que nous utilisons est centré sur 800 nm avec une largeur totale d’environ 30 nm comme le montre la figure suivante.