Étude de la mise en forme spatiale du faisceau laser

2.1.2.1 Effet des lames de phase

Dans un premier temps, nous nous sommes concentrés sur l’étude de l’effet des lames de phase sur le laser Hélium-Néon. Nous avons utilisé les lames les plus petites. Le diamètre de la lame interne est de 9 mm, alors que le diamètre externe du faisceau est réglable grâce à un diaphragme placé en amont du dispositif. La figure 2.2 présente un ensemble de coupes transverses du faisceau laser au foyer en fonction du déphasage. En (a), on aperçoit la tache focale obtenue lorsque les deux lames sont parallèles (Φ = 0). Une coupe de cette image indique clairement que le profil est gaussien. Lorsque le diamètre extérieur est fixé à 12 mm, on peut observer un profil soit en anneau, avec un minimum d’intensité au centre (Φ = π)(b), ou un profil carré, plus large que le profil gaussien initial (Φ = 0.8π)(c). En comparant les profils radiaux (d) et (f), on peut voir que la manipulation de la phase spatiale a effectivement permis de changer le profil gaussien initial en un profil carré (ou supergaussien d’ordre 3). La tache focale a été élargie d’un facteur 2.3, proche du facteur prévu par les simulations. On voit de plus les premiers anneaux secondaires, lesquels contiennent une partie importante de l’énergie initiale.

Nous avons ensuite testé le dispositif avec le laser infrarouge du serveur LUCA que nous allions utiliser pour la génération d’harmoniques. Comme on peut le voir sur la figure2.3, la mise en forme par manipulation de la phase spatiale grâce aux lames de phase est dans ce cas aussi très efficace. L’élargissement du faisceau au foyer est d’un facteur 2.1, légèrement inférieur à ce qui avait été obtenu à partir du faisceau d’Hélium-Néon, ce qui peut être lié à la phase du champ laser infrarouge. La comparaison avec le calcul montre que les profils obtenus sont toujours plus étroits que les profils théoriques, ce que l’on peut attribuer à une connaissance imparfaite des paramètres du laser infrarouge (dont le M2 a certainement été sur

2.1. MISE EN FORME DU FAISCEAU LASER

Fig. 2.2: Effet des petites lames de phase sur le faisceau du laser He-Ne. En (a), (b) et (c) les distributions spatiales au foyer (z=0) du champ laser dans trois confi- gurations (déphasage Φ = 0, π radians et 0.8π radians). En (d), (e) et (f) les coupes de chacun des profils.

Fig. 2.3: Effet des petites lames de phase sur le faisceau du laser LUCA. En (a), (b) et (c) les distributions spatiales au foyer (z=0) du champ laser dans trois configurations (déphasage Φ = 0, π radians et 0.8π radians). En (d), (e) et (f) les coupes de chacun des profils (ligne continue). La ligne pointillée grise correspond au profil d’intensité calculé, la ligne pointillée claire à la phase calculée.

CHAPITRE 2. GÉNÉRATION D’HARMONIQUES D’ORDRES ÉLEVÉS PAR UN FAISCEAU LASER MIS EN FORME SPATIALEMENT

Fig. 2.4: Effet des lames de phase de taille intermédiaire sur le faisceau d’une diode laser. En (a), (b) et (c) les distributions spatiales au foyer (z=0) du champ laser dans trois configurations (déphasage Φ = 0, π radians et 0.8π radians). En (d), (e) et (f) les coupes de chacun des profils.

2.1.2.2 Effet de la taille des lames

Les simulations que nous avons effectuées supposaient un front d’onde du laser sur les lames de phase plan. Cependant, la qualité du front d’onde d’un faisceau se dégrade sur les bords. Nous avons par conséquent testé aussi l’effet des lames de tailles supérieures sur nos différents lasers.

L’utilisation des lames intermédiaires impose une ouverture du diaphragme ex- térieur supérieure à 20 mm. Il nous a donc fallu utiliser un ensemble afocal afin d’augmenter le diamètre des faisceaux lasers de référence. Ce système, délicat à régler, est cependant une source d’aberrations. C’est pourquoi nous avons rem- placé le laser Hélium-Néon par une diode laser émettant à 800 nm dont le faisceau de sortie était plus large. Nous avons comparé les résultats ainsi obtenus avec ceux du laser LUCA et de la petite lame de phase. Les figures2.4et2.5représentent les profils des faisceaux mesurés au foyer dans le cas d’un faisceau non mis en forme (Φ = 0, (a) et (d)), annulaire (Φ = π, (b) et (e)) et carré (Φ = 0.8π, (c) et (f)). Le diamètre de la lame interne est de 18 mm (lame intermédiaire) et le diamètre du diaphragme est de 24.5 mm. Dans le cas de la diode laser, l’efficacité de la mise en forme est toujours importante. L’anneau et le profil carré sont parfaitement définis. L’élargissement du faisceau est alors d’un facteur 2.

2.1. MISE EN FORME DU FAISCEAU LASER

Fig. 2.5: Effet des lames de phase de taille intermédiaire sur le faisceau du laser LUCA. En (a), (b) et (c) les distributions spatiales au foyer (z=0) du champ laser dans trois configurations (déphasage Φ = 0, π radians et 0.8π radians). En (d), (e) et (f) les coupes de chacun des profils. La ligne pointillée grise correspond au profil d’intensité calculé, la ligne pointillée claire à la phase calculée.

définie, et l’élargissement du profil entre les cas gaussien et carré n’est plus que d’un facteur 1.5 environ, ce qui est lié à la qualité du front d’onde du laser. La différence avec le calcul est plus importante que dans le cas des petites lames. Nous avons de plus essayé de mettre en forme le faisceau en utilisant le dernier jeu de lames. Dans ce cas, le diamètre interne de 24 mm impose une ouverture du diaphragme de 31mm, pour un faisceau de 38 mm de diamètre. Il nous a alors été impossible d’observer les anneaux ou un profil carré suffisamment bien défini. Nous avons alors essayé de corriger le front d’onde à l’aide d’un miroir déformable. Couplé à une mesure du front d’onde du laser infrarouge par un dispositif de Shack-Hartmann, un logiciel permet de calculer les tensions à appliquer aux 19 actuateurs du miroir afin de rendre la phase spatiale plate au niveau des lames. Cependant, cela ne nous a pas permis d’améliorer la mise en forme. Au contraire, même avec les lames intermédiaires nous n’avons pas réussi à obtenir de profil annulaire (Fig. 2.6). Il s’est avéré que notre miroir ne permettait que de corriger les aberrations qu’il introduisait lui-même dans le faisceau. Cela est sans doute lié au nombre limité d’actuateurs. Néanmoins, cela démontre l’importance de la qualité du front d’onde sur les lames de phase.

La figure2.7 compare l’évolution de l’intensité infrarouge le long de l’axe de pro- pagation dans le cas du faisceau mis en forme (a) et gaussien (b). La manipulation

CHAPITRE 2. GÉNÉRATION D’HARMONIQUES D’ORDRES ÉLEVÉS PAR UN FAISCEAU LASER MIS EN FORME SPATIALEMENT

Fig. 2.6: Effet des lames de phase de taille intermédiaire sur le faisceau LUCA. Un miroir déformable est placé avant les lames de phase. En (a) et (b), le déphasage introduit par les lames est nul. En (c), Φ = π radians. En (a), le miroir déformable n’est pas activé. En (b) et (c), la correction du front d’onde est activée.

Fig. 2.7: Mesure du profil infrarouge autour du foyer dans le cas des faisceaux mis en forme (a) et gaussien (b). Le laser se propage de la gauche vers la droite suivant l’axe Oz.

de la phase spatiale avant focalisation a permis d’élargir le faisceau au foyer et de l’élargir, comme le prévoyaient les simulations de la figure 1.18.

2.2. ÉTUDE DE LA GÉNÉRATION D’HARMONIQUES PAR UN