L’étude des plasmas denses créés par laser est un domaine très vaste et qui pré- sente toujours un grand nombre de défis techniques et d’incertitudes physiques. La génération d’harmoniques d’ordre élevé dans les gaz est un des outils utiles pour ces études, en fournissant une source XUV brève et intense, que l’on peut utiliser pour déterminer expérimentalement des caractéristiques fondamentales de ces plasmas.
Les expériences que nous avons réalisées ont tout d’abord démontré la prépon- dérance de l’effet du piédestal dans certaines expériences d’interaction entre une impulsion laser femtoseconde ultra-intense et une cible solide. Nous avons cepen- dant réussi à surmonter cet écueil par l’utilisation du Miroir Plasma, qui nous a donc permis de générer sur des feuilles minces de polypropylène des plasmas d’une densité de 3.1 × 1023cm−3
pour une température initiale de 220 eV.
Ces caractéristiques ont été déterminées en reproduisant des mesures de trans- mission d’harmoniques au moyen d’une modélisation hydrodynamique à une di- mension, mais on a montré que ces résultats correspondent en très bonne ap- proximation à la situation très simple d’une expansion adiabatique d’un plasma uniforme présentant un taux de collisions électroniques constant.
Cette étude ouvre la voie à une utilisation plus systématique des harmoniques générées en gaz comme faisceau sonde de plasmas denses, d’autant plus qu’on peut facilement imaginer améliorer les diagnostics, en implémentant notamment des systèmes interférométriques :
et al., 1999], en utilisant deux impulsions harmoniques collinéaires générées dans le même jet de gaz, et en les faisant interférer dans un spectromètre, on a accès directement à la densité électronique du plasma traversé.
– Interférométrie spatiale : On utilise cette fois ci deux sources harmoniques issues de deux répliques d’une impulsion focalisées dans deux jets de gaz dif- férents, et on réalise des franges d’interférence spatiale (voir [Descamps et al., 2000]), que l’on peut imager au moyen d’optiques multicouches capables de fournir une bonne réflectivité pour une longueur d’onde donnée et d’offrir un grandissement optique important autorisant une résolution spatiale (Thèse H. Stabile en cours).
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Génération d’harmoniques sur cible
solide
Ce chapitre présente l’étude de la génération d’harmoniques par réflexion sur une cible solide, au moyen ici d’une impulsion à fort contraste tem- porel obtenue à l’aide d’un Miroir Plasma. Nous exposons un historique des expériences déjà réalisées sur le sujet, ainsi qu’une discussion des dif- férents modèles théoriques avancés pour expliquer l’origine physique du phénomène. Nous caractérisons ensuite la source XUV obtenue dans nos expériences, avec notamment une mesure absolue de l’énergie produite. Finalement, nous présentons une discussion de l’accord entre nos me- sures et les modèles, ainsi qu’une évaluation du potentiel d’utilisation de la source.
3.1
Motivations
Un domaine important d’utilisation des impulsions femtosecondes intenses consiste en la production de sources secondaires, à la fois de rayonnements (UV, X) et de particules, par interaction avec divers types de cibles. En particulier, on va s’intéresser ici au phénomène de génération d’harmoniques d’ordre élevé sur cible solide, qui consiste à observer la production d’harmoniques de la fréquence laser au sein du faisceau réfléchi obtenu par focalisation d’une impulsion ultra-intense sur cette cible.
Ce processus est a priori susceptible de fournir une source XUV intense, dont l’intérêt réside dans les applications que l’on peut imaginer explorer. Ainsi, si
l’on désire réaliser de l’optique non linéaire dans le domaine XUV, il est indis- pensable de pouvoir disposer d’une source intense. De plus, si on désire étendre les méthodes actuelles de diagnostiques XUV en introduisant des dispositifs de réimagerie avec des grandissements optiques importants, il est indispensable de posséder des sources avec suffisamment d’énergie pour pouvoir obtenir des si- gnaux exploitables. Une alternative en cours de développement et qui fournit déjà des résultats intéressants consiste dans le développement des Lasers à élec- trons libres (ou Free Electron Laser : FEL) [Ayvazyan et al., 2002]. Cependant, si leurs performances en font des outils uniques, le faible nombre prévu de ces installations de grande taille oblige à devoir considérer des alternatives à l’échelle des laboratoires, et une des pistes privilégiées actuellement consiste donc en cette génération d’harmoniques sur cibles solides.
On vient de voir que les harmoniques d’ordre élevé générées dans les gaz four- nissent d’ores et déjà une source très bien caractérisée. Cependant, le phénomène de génération des harmoniques dans les gaz, exposé brièvement dans la partie 2.2.1, ne permet pas d’augmenter indéfiniment l’énergie apportée par l’impulsion laser. Si l’intensité est trop élevée, l’ionisation du gaz devient trop importante, et limite le processus de génération. Si des énergies de l’ordre du µJ ont déjà été dé- montrées expérimentalement pour des longueurs d’onde autour de 50 nm [Hergott et al., 2002, Takahashi et al., 2002], dépasser ces valeurs demanderait la mise en place d’installation beaucoup plus lourdes, puisqu’il s’agit d’augmenter le volume de l’interaction, ce qui pourrait se faire notamment en utilisant des optiques de très grande focale (plus de 10 m).
Plus fondamentalement, l’étude du rayonnement harmonique réfléchi pourrait représenter un nouvel outil pour étudier le processus très complexe et encore lar- gement mal compris de l’interaction d’une impulsion laser de très haute intensité avec une cible solide (ou plutôt avec un plasma dense présentant un gradient de densité raide). A l’image des immenses progrès dans la compréhension de l’interac- tion laser-atome qui ont accompagnés les multiples expériences sur la génération d’harmoniques dans les gaz, ou encore à l’image des informations sur les plasmas tirées de l’étude du rayonnement X dur, une étude poussée des caractéristiques de ces harmoniques générées sur cible solide doit immanquablement fournir des éléments cruciaux dans cette perspective.
On va donc s’attacher ici, après un rapide historique des différentes études expé- rimentales en date et une présentation des modèles théoriques décrivant l’origine des harmoniques, à décrire en détail la réalisation d’une source de ce type sur l’installation UHI 10 équipée du Miroir Plasma et à discuter des implications sur
la compréhension du processus de génération.