Dispositifs expérimentaux

dans le cadre de ce travail réalisé en collaboration sous la cotutelle de deux laboratoires ; le Laboratoire ‘‘principal’’ Hubert Curien de l’Université Jean Monnet à Saint Etienne, et le Laboratoire LS/Chair Experimentalphysik II de l’Université de Brandenburgische Technische à Cottbus. Nous commencerons par une description détaillée de la chaine laser utilisée dans les deux laboratoires. Nous exposerons également dans ce chapitre les dispositifs de mise en forme temporelle des impulsions laser femtoseconde suivant deux techniques différentes (SLM et Michelson) ainsi que le système de caractérisation des impulsions (d’auto et de cross corrélation). Enfin, nous présenterons les différentes techniques de caractérisation des échantillons après une irradiation laser femtoseconde et la méthode de mesure d’énergie laser. Une illustration de LIPSS formées sur un échantilloélément du système laser. L’oscillateur Vitesse est constitué d’une cavité asymétrique dans laquelle est placé le cristal d’oxyde d’aluminium dopé au titane (Ti : Al2O3), plus couramment, appelé Titane-Saphir qui est le milieu gain. Ce cristal à un spectre de fluorescence qui se situé entre 650 à 1100 nm avec un maximum autour de 800 nm. C’est cette large bande de fluorescence qui permet d’obtenir des impulsions courtes à une longueur d’onde de 800 nm. L’oscillateur est pompé par un laser à diode de type Verdi. Le milieu de gain de ce dernier est un cristal de Gadoline Orthovanadate dopé Néodyme (Nd : YVO4) dont la bande d’émission centrée autour de 1064 nm, la seconde harmonique du faisceau du laser est ensuite générée grâce à un cristal doubleur (LBO). Le fonctionnement impulsionnel délivré par l’oscillateur est assuré par un système classique de blocage de mode par lentille de Kerr (Kerr-Lens Modelocking). En effet n de Tungstène sera présentée.

l’effet Kerr est un phénomène qui permet de concentrer spatialement la partie la plus intense du faisceau lors de son interaction avec le cristal. L’oscillateur Titane-saphir que nous utilisons est fabriqué par Cohérent. Il délivre des impulsions laser ultra-courtes d’une durée d’impulsion de 100 fs, centrées sur la longueur d’onde de 800 nm avec 1,6 nJ par impulsion et le taux de répétition est de 80 MHz. Une telle énergie est suffisante pour certaines applications, mais dans de nombreux cas il est nécessaire d’avoir recours à une amplification optique du faisceau pour obtenir des énergies plus importantes par impulsion. Ceci est le rôle de l’amplificateur qui peut augmenter l’énergie de l’impulsion jusqu’à atteindre le mJ à un taux de répétition de 1 kHz, soit une amplification de l’ordre de 105. Dans cette section, nous nous attarderons sur la description des différentes composantes de notre système d’amplification et sur son principe de fonctionnement. Notre système amplificateur est de type CONCERTO, commercialisé par Thalès et se compose de trois parties présentées dans la figure 2.2. Le premier élément de la chaine est un étireur, puis une cavité Titane saphir pompé par un laser Nd : YLF (Yttrium Lithium Floride) et enfin un compresseur. Pour plus de détails concernant l’amplification d’impulsions femtoseconde on peut se référer au références [LS01, Gui09 et Leh03].

L’augmentation de l’énergie de l’impulsion étirée se déroule ensuite en deux étapes. Dans les deux cas, l’amplification consiste à réaliser une inversion de population dans la cavité de l’amplificateur. L’inversion de population dans les milieux de gain (cristal Ti-saphir) est réalisée par un laser de pompe de type YLF, de durée d’impulsion d’environ 8 ns et d’énergie 16 mJ à 1 kHz (longueur d’onde d’émission centrée à 532 nm). Les impulsions sont ensuite amplifiées par l’intermédiaire d’amplificateurs, dans un premier temps, un amplificateur multipassage est utilisé. Ce type d’amplificateur possède une structure de type papillon centrée sur un cristal de Ti : Saphir (figure 2.3), permettant des passages successifs dans le milieu de gain pour plusieurs amplifications successives du faisceau sans l’utilisation d’une cavité résonnante [GES91]. La seconde étape d’amplification s’appuie sur un amplificateur régénératif et consistant à piéger une impulsion dans un résonateur laser. Pour ce faire, on utilise une cellule de Pockels (cristal de KDP sur lequel on applique une tension) associée à la présence d’un polariseur jouant le rôle de porte pour le faisceau (figure 2.4). Une fois piégée, l’impulsion va s’amplifier par passages successifs dans un milieu à gain. Lorsqu’elle a totalement dépeuplé le gain, elle est rejetée de la cavité en appliquant un deuxième échelon de tension à la cellule de Pockels. Ainsi, quel que soit le gain par passage, il y aura toujours un nombre de passage suffisant pour lequel la totalité de l’énergie stockée dans le milieu amplificateur sera extraite.