par TD:LAS
Une partie des mesures sur le plasma nécessitent la mise en place de diagnostics optiques, d’émission ou d’absorption. Les capillaires étant transparents dans le domaine du visible, les diagnostics d’émission peuvent être réalisés avec le plasma entièrement confiné dans le tube ou en configuration de "jet", à l’inverse des mesures d’absorption, qui ne peuvent être réalisé que sur un "jet" à l’extérieur du capillaire, ce dernier induisant des réflexions du faisceau incident. Néanmoins, dans tous les cas, l’applicateur est métallique, et donc opaque, impliquant l’impossibilité de réaliser des mesures sur toute la section du tube couverte par ces applicateurs (e.g. : le centre de la décharge pour le strip-line, et la partie en amont du "gap" pour le surfatron).
La spectroscopie d’absorption est employée ici pour mesurer des états non radiatifs, notamment des états métastables, de façon non-intrusive, comme le contraignent les dimensions de notre dispositif expérimen-tal. En particulier, elle permet d’obtenir la densité d’espèces ainsi que certains paramètres plasma, et aussi leur distribution spatiale dans le cas de mesures suffisamment résolues. Ici, le diagnostic d’absorption qui sera employé est la TD:LAS, pour Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy et l’état métastable sondé est le 1s5, noté également 3s23p5(2P◦3/2)4s, à 11,55 eV, avec une absorption à λ = 801,698 nm vers l’état 3s23p5(2P◦3/2)4p à 13,09 eV.
Pour réaliser ces diagnostics TD:LAS, on dispose d’un laser Toptica DL100, centré sur 801,6 nm, et de puissance maximale 160 mW. Un boîtier de contrôle permet de régler la longueur d’onde du laser par modification de la cavité par sa température (réglage grossier) et le courant qui la traverse (réglage fin). On peut choisir d’avoir un laser à longueur d’onde fixée, ou bien de faire un scan spectral continu, d’amplitude contrôlable avec un maximum d’environ 100 pm sur une zone spectrale. L’enjeu est de trouver un couple de paramètres (température, courant, et intensité du "feedback") permettant une émission laser sans saut de mode (donnant un ’single mode’) centrée sur la longueur d’onde de la transition de l’espèce mesurée, et d’amplitude suffisamment importante pour couvrir toute la gamme spectrale de la raie d’argon métastable. Dans nos conditions expérimentales, il est nécessaire d’avoir un balayage en longueur d’onde supérieur à 50 pm, afin d’obtenir un profil de raie d’absorption couvrant toute sa surface, y compris les "ailes" du pic.
Le dispositif expérimental utilisé pour réaliser ces mesures de TD:LAS est présenté sur la figure 44. Lorsque que de telles mesures seront réalisées, le plasma sera donc en configuration "jet", et l’axe du capillaire placé à la verticale, avec le flux de gaz vers le bas.
Le faisceau laser traverse tout d’abord des filtres neutres pour éviter le phénomène de saturation de la transition, et des lames semi-réfléchissantes (BS1 et BS2) permettent de dévier une partie du faisceau pour calibrer l’échelle en longueur d’onde du signal mesuré. Une première partie (après BS1 et BS2) est dirigée vers un ondemètre (HighFinesse, WS-6), pour déterminer la longueur d’onde centrale du laser, et une seconde partie (l’autre moitié du faisceau après BS2) vers un Fabry-Perrot (longueur 10 cm, donnant des franges écartées de 2 GHz chacune) suivi d’un photo-détecteur (PD2 ; Electro-Optics Technology, ET-2020), qui permet de s’assurer que le scan est bien mono-mode, et de s’assurer du domaine spectral relatif scanné, ainsi que de sa linéarité. Un exemple de franges d’interférences obtenu par le Fabry Perrot pour reconstruire l’échelle en longueur d’onde du scan du laser est présenté figure 45. On y mesure 13 franges d’interférences, correspondant à une plage spectrale de 13 × 2 GHz ; la "baseline" représente l’évolution de l’intensité du laser au cours du temps.
Figure 45 – Franges d’interférences obtenues par le Fabry Perrot de 2 GHz.
Le faisceau principal (provenant de l’autre moitié du faisceau après BS1) va ensuite être réduit spatia-lement par la combinaison des lentilles L1, L2 et le diaphragme entre les deux. Un miroir plan, puis une lentille mince (L3) permet ensuite de focaliser le faisceau au niveau du jet plasma. Le faisceau est finalement collecté par une dernière lentille (L4) pour transmettre le signal au photo-détecteur (PD1 ; Electro-Optics Technology, ET-2020) qui mesure le signal transmis. Les signaux des photo-détecteurs ainsi que le trigger du laser sont mesurés par un oscilloscope (Lecroy, HDO 6104).
Le diamètre du faisceau au niveau du jet est inférieur à 50 µm, vérifié par une transmission du signal inchangée après passage du faisceau par un diaphragme de 50 µm placé à la position du jet. Cette faible dimension du faisceau laser (20 fois plus faible que le diamètre interne du capillaire) lors de son passage dans le plasma permet d’effectuer un scan latéral du jet, et donc d’obtenir des mesures de densités d’espèces résolues spatialement puis un profil radial, le procédé permettant d’obtenir ce résultat, la transformée d’Abel, nécessitant une résolution spatiale au moins 10 fois inférieure au diamètre du plasma, soit 100 µm. Le faisceau traverse le jet 50 µm sous l’extrémité du capillaire.
Un exemple de signal mesuré par le photodétecteur situé en aval du capillaire, avec et sans présence du plasma, est présenté figure 46 ; on observe en noir le signal sans absorption, et en rouge l’intensité du laser avec une absorption due aux métastables de l’argon. La même région spectrale est scannée deux fois en un temps d’environ 2 s.
Figure 46 – Signal mesuré par le photodétecteur, sans ("background") et avec ("absorption") plasma.