Nous avons pr´esent´e les notions de bases permettant de quantifier la qualit´e du profil d’intensit´e tem- porelle d’une impulsion lumineuse femtoseconde. Il apparaˆıt clair qu’un contr ˆole rigoureux de la phase spectrale est un des points cl´es lors de la conception de la chaˆıne laser. L’obtention d’une phase spec- trale constante sur tout le spectre de l’impulsion va permettre d’obtenir l’impulsion dont la dur´ee `a mi- hauteur sera limit´ee par transform´ee de Fourier. Cela permettra aussi d’´eviter la pr´esence d’impulsions parasites sur des d´elais de l’ordre de la centaine de femtosecondes et qui seraient nuisibles `a l’interac- tion laser-mati`ere. La gestion de la dispersion au sein de la chaˆıne doit se faire `a un ordre d’autant plus grand que les impulsions voulues en sortie de chaˆıne sont courtes. La notion de contraste quantifie les d´efauts du profil temporel de l’impulsions sur une grande dynamique (au moins 10 ordres de grandeur) et sur une ´echelle de temps de quelques dizaines de picosecondes. Enfin nous avons d´efini la notion de CEP, notion importante lorsque la dur´ee `a mi-hauteur de l’impulsion lumineuse est de quelques cycles optiques (inf´erieure `a 10 fs `a 800 nm). Nous avons aussi vu comment il ´etait possible de mesurer et de fixer les fluctuations de la CEP sur une chaˆıne laser.
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Chapitre 2
La technique d’amplification `a d´erive
de fr´equence
Sommaire
2.1 Introduction . . . 36 2.2 Oscillateur femtoseconde . . . 37 2.3 Etirement et compression . . . 38
2.3.1 Phase spectrale introduite par un mat´eriau . . . 38 2.3.2 Etireur et compresseur `a r´eseaux . . . 39 2.3.3 Ligne `a prismes . . . 40 2.3.4 Miroirs chirp´es . . . 41 2.3.5 Filtre Acousto-Optique Dispersif Programmable . . . 42
2.1
Introduction
Une caract´eristique importante des impulsions lumineuses d´elivr´ees par une chaˆıne laser, est leur inten- sit´e crˆete. On peut la d´efinir par :
Ic= E
∆t × S (2.1)
o `u E est l’´energie, ∆t la dur´ee `a mi-hauteur d’une impulsion ; S est la section du faisceau. On exprime l’intensit´e Icen W.cm
−2 .
La communaut´e des physiciens qui ´etudient les interactions laser-mati`ere est demandeuse de lasers d´elivrant des intensit´es crˆetes sur cible de plus en plus ´elev´ees : de l’ordre de 1018voire 1022W.cm−2
. Le but ´etant d’explorer de nouveaux r´egimes d’interaction [1, 2]. Pour atteindre de tels niveaux d’´energie, tout en conservant un syst`eme de taille raisonable, la technique utilis´ee est celle propos´ee par Strick- land et Mourou en 1985 [3]. C’est l’amplification `a d´erive de fr´equence ou CPA pour Chirped Pulse
Amplification.
En effet, l’amplification directe des impulsions issues de l’oscillateur jusqu’aux niveaux d’intensit´e re- quis conduirait `a l’apparition d’effets non lin´eaires. Ces effets peuvent d´egrader les qualit´es spatiales et temporelles du faisceau et conduire `a l’endommagement des optiques utilis´ees dans la chaˆıne. Un indicateur de l’apparition de tels effets est l’int´egrale B d´efinie comme :
B = 2π λ0 Z L n2 max[I(z)]dz (2.2)
Pour les lasers de puissance, il est commun´ement accept´e que l’int´egrale B doit ˆetre gard´ee `a des valeurs inf´erieures `a 3-5 radians [4].
Pour diminuer l’intensit´e (et donc les effets non lin´eaires), on peut augmenter la taille du faisceau dans la chaˆıne laser, mais survient alors le probl`eme de la taille des composants optiques n´ecessaires. L’autre so- lution, utilis´ee dans la technique CPA, est d’´etirer temporellement l’impulsion `a amplifier. Typiquement le facteur d’´etirement (rapport entre la dur´ee de l’impulsion ´etir´ee et la dur´ee de l’impulsion initiale) est de 104− 105. Ceci est r´ealis´e `a l’aide d’un dispositif appel´e ´etireur. L’impulsion est ensuite amplifi´ee. En- fin, un compresseur permet `a l’impulsion de retrouver une dur´ee proche de sa valeur initiale. La figure 2.1 repr´esente sch´ematiquement les ´el´ements principaux d’une chaˆıne CPA.
FIG. 2.1 –Principe de l’amplification `a d´erive de fr´equence.
La majeure partie des chaˆınes d´elivrant des impulsions laser de dur´ee inf´erieure `a 100 fs et dont l’´energie va du milli joule `a quelques joules utilisent la technique CPA. Le mat´eriau amplificateur le plus utilis´e est le Saphir dop´e Titane, en effet ses qualit´es sont nombreuses : seuil de dommage (≈ 8 J.cm−2 en
r´egime picoseconde [22]) et fluence de saturation (environ 0,9 J.cm−2) ´elev´es. Sa conductivit´e thermique est excellente (46 W/mK `a 300K) ce qui permet des taux de r´ep´etition allant jusqu’`a quelques kilo hertz. Il permet ´egalement d’avoir des dur´ees d’impulsion de l’ordre de 15 fs grˆace `a sa bande de gain tr`es large (environ 235 nm `a mi-hauteur).
Examinons plus en d´etails les principaux ´el´ements constitutifs d’une chaˆıne laser CPA.