Configuration TGRIP : apport de la pré-impulsion

En partant de la configuration identifiée en DGRIP, on réalise une optimisation paramétrique du laser X-UV en fonction de l’énergie de la pré-impulsion et du délai par rapport à l’impulsion de pompe.

Influence du délai tP r´ecurseur sur l’efficacité de génération X-UV

Dans un premier temps, on s’intéresse à l’influence du délai entre la pré-impulsion et les deux impulsions propres au DGRIP sur l’efficacité de génération avec un faible ratio RP r´ecurseur fixé à 5 % de l’énergie totale. L’optimisation de l’émission X-UV est réalisée en mesurant l’énergie laser moyenne (sur 10 tirs) ainsi que la position relative du barycentre de la pupille, pour des délais tP r´ecurseur variant entre 600 ps et 3 ns. Les mesures sont présentées sur la figure 4.2.8.

On observe surtout, dans un premier temps, une émission X-UV significative, contrairement à la configuration DGRIP. L’énergie de cette émission augmente avec le délai jusqu’à 1 ns, suivie d’un plateau qui dure 600 ps. Pour des délais élevés (>1600 ps), l’énergie chute d’abord brutalement jusqu’à un niveau qui se maintient jusqu’à 3 ns. Ce décrochement est associé à un éloignement brutal de la cible d’en-viron 20 µm.

4.2 Génération d’un laser X-UV avec le schéma TGRIP

Figure 4.2.8 – Énergie et position de la pupille X-UV obtenues pour différents délais tpr´ecurseur . Chaque point représente la moyenne de 10 tirs sur une même position de cible. Le signal augmente avec le délai pour devenir maximal entre 1 ns et 1.6 ns, puis décroit rapidement pour des délais plus élevés. La position de la pupille diminue brutalement avec la chute de l’énergie. Les barres autour de la valeur moyenne traduisent les fluctuations d’énergie tir à tir.

Dans la fenêtre d’énergie optimale comprise entre 1 et 1.6ns, on remarque que les barres de fluctuation de l’énergie moyenne augmentent avec le délai, passant de 11 % pour 1 ns à 40 % RMS pour 1.6 ns. La figure 4.2.9 qui présente l’évolution tir à tir de l’énergie du faisceau X-UV pour ces mêmes délais, montre que cette fluctuation apparente autour de la moyenne est due à la diminution rapide du signal mesuré, ce qui fausse la moyenne calculée sur 10 tirs consécutifs.

Mesure de la l’énergie et de la durée de vie de la cible

En référence à la méthode d’ajustement de l’évolution de l’énergie X-UV tir à tir présentée au chapitre 3 (§. 3.3.3), nous allons étudier l’efficacité du laser X-UV en exprimant les observables suivantes :

• Energie X-UV du premier tir laser (notée Emax).

• Durée de vie de la cible, à partir du paramètre n· représentant la demi-vie. • Dose totale de rayonnements X-UV à partir une même position de cible,

jus-qu’à l’extinction de l’émission laser.

Les paramètres de l’ajustement en fonction du délai tP r´ecurseur sont représentés sur la figure 4.2.10. On peut observer que l’énergie X-UV et la durée de vie de la cible augmentent conjointement jusqu’à tP r´ecurseur = 1 ns. Dans l’intervalle de délai favorable, situé entre 1 et 1.6 ns (cf. Fig. 4.2.8), il apparaît que l’augmentation de l’énergie se produit au détriment de la durée de vie. En outre, un délai de 1.6 ns

Chapitre 4 Mise en forme temporelle des impulsions laser d’excitation du plasma

Figure 4.2.9 – Évolution tir à tir de l’énergie X-UV pour RP lasma différents délais

tpr´ecurseur entre le précurseur et l’impulsion de pompe. L’ajuste-ment des mesures est réalisé avec la fonction sigmoïde présentée au

4.2 Génération d’un laser X-UV avec le schéma TGRIP permet de doubler l’énergie du premier tir laser au détriment d’une durée de vie quatre fois plus faible. A partir de 1.8 ns, l’énergie chute brutalement sans gain notable sur la durée de vie.

L’ajustement des données expérimentales a permis d’évaluer l’énergie maximale pour chaque délai en pondérant cette valeur par le nombre de tirs. Un délai de 1 ns constitue le compromis en terme d’énergie et de durée de vie de la cible en fonction du délai tP r´ecurseur .

Figure 4.2.10 – Paramètres d’ajustement de l’évolution de l’énergie X-UV à tir à tir avec en bleu Emax, l’énergie du premier tir laser, et en rouge n· le nombre de tir au bout duquel l’énergie X-UV a été réduite de moitié. Les barres d’erreurs affichées représentent l’incertitude de l’optimisation de l’ajustement.

Influence du rapport en énergie RP r´ecurseur sur l’efficacité de génération X-UV

L’effet de la pré-impulsion sur le laser X-UV est maintenant étudié en fonction de l’énergie du précurseur via le paramètre RP r´ecurseur (correspondance en milliJoule indiquée sur le tableau 4.2). La figure 4.2.11 présente les paramètres observables X-UV (Emax, n·) pour différents RP r´ecurseur compris entre 5 et 20 %. La dose maximale X-UV obtenue à partir du même emplacement de cible est également représentée.

Nous pouvons remarquer tout d’abord que la plage de délai efficace (1000 à 1600 ps), identifiée au paragraphe précédent, varie peu suivant la valeur de RP r´ecurseur. Lorsque l’énergie de la pré-impulsion augmente, on observe pour certains délais une hausse de l’énergie du premier tir laser. Comme observé au paragraphe précédent, cette augmentation s’accompagne d’une baisse de la durée de vie de la cible. La dose X-UV optimale est ainsi obtenue pour la plus faible énergie de pré-impulsion considérée.

Nous avons montré au travers de cette étude paramétrique que la présence d’une pré-impulsion a un effet notable sur l’efficacité de génération du laser X-UV à Argent. La configuration TGRIP a permis d’obtenir, de façon optimale, une émission X-UV

Chapitre 4 Mise en forme temporelle des impulsions laser d’excitation du plasma avec une augmentation de l’énergie de plus d’un facteur 5 et d’améliorer la durée de vie de la cible d’un ordre de grandeur en passant de 3 tirs à 30 tirs sur un même emplacement de surface. Pour une utilisation mono-tir de la source laser, on pourra privilégier une pré-impulsion à plus haute énergie (230 mJ) pour maximiser les premiers tirs laser, au détriment de la durée de vie de la cible. Pour une utilisation à haute cadence du laser X-UV, une pré-impulsion de faible énergie est préférée pour maximiser la dose totale de rayonnement X-UV obtenue à partir d’un même emplacement de cible.

Figure 4.2.11 – Evolution des observables du laser X-UV, Emax et n·, en fonction du délai tP r´ecurseur et pour différentes énergies de la pré-impulsion (via RP r´ecurseur). La dose totale X-UV obtenue à partir d’un même emplacement de cible a été calculée en fonction de ces mêmes paramètres.

4.2.3 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté un dispositif optique intégré dans la chaîne laser au niveau de l’étireur, et capable de générer les impulsions propres au DGRIP ainsi qu’une pré-impulsion courte réglable en énergie et en délai. Ce nouveau sys-tème conserve les qualités de stabilité de pointé du DGRIP par l’utilisation d’un faisceau unique pour les trois impulsions. Par ailleurs, ce réglage tout optique est naturellement sans gigue temporelle.

4.2 Génération d’un laser X-UV avec le schéma TGRIP Le TGRIP permet d’obtenir des lasers X-UV à des longueurs d’ondes variées, avec des cibles dont les propriétés sont thermo-mécaniquement très éloignées, comme le Molybdène et l’Argent. Il devrait pouvoir être étendu à d’autres éléments, comme par exemple le titane, particulièrement intéressant en vue de l’injection d’harmoniques. Pour le Molybdène, nous avons observé que l’ajout de la pré-impulsion après optimisation du régime de fonctionnement du laser XUV en mode DGRIP pur avait certes des effets bénéfiques comme l’augmentation de l’énergie XUV (typiquement d’un facteur deux à quatre) mais ne modifiait pas significativement les paramètres de réglage propres au DGRIP tels que le délai entre l’impulsion plasma et l’impulsion de pompe et leur balance en énergie, de même que la durée de l’impulsion de pompe. Pour l’Argent, le précurseur a un effet plus prononcé sur l’efficacité de génération du laser X-UV que pour le Molybdène : nous avons montré non seulement une augmentation jusqu’à un ordre de grandeur de l’efficacité de génération, mais aussi une augmentation de la durée de vie de la cible.

Chapitre 5

Dispositif QAGRIP : création du

plasma avec une impulsion longue de

faible intensité

Plan du chapitre

5.1 Intérêt . . . 102 5.2 Descriptif du dispositif QAGRIP . . . 102 5.3 Etude expérimentale . . . 104 5.3.1 Validation du dispositif avec le Molybdène Nickeloïde . . . 104 5.3.1.1 Etude en délai tP lasma et en durée tpompe . . . 104 5.3.1.2 Comparaison avec le schéma DGRIP . . . 105 5.3.2 Etude extensive du QAGRIP : Application à l’Argent et au

Titane . . . 107 5.3.2.1 Influence des paramètres temporels sur l’énergie X-UV108 5.3.2.2 Simulation hydrodynamique du plasma créé par le

laser Nd :YAG avant le pompage . . . 109 5.3.2.3 Simulation du processus de pompage X-UV . . . 110 5.4 Optimisation du dispositif QAGRIP pour réaliser une source X-UV

injectée . . . 112 5.4.1 Variante du QAGRIP : 1L2S . . . 112 5.4.2 Expérience 1L2S : Influence des paramètres de la pré-impulsion

sur la durée de l’impulsion de pompe avec l’Argent . . . 114 5.5 Injection d’harmoniques d’ordres élevés : Mesure temporelle du gain

X-UV . . . 115 5.5.1 Contexte . . . 115 5.5.2 Expérience d’injection du laser X-UV en 1L1S/1L2S : mesure

temporelle du gain . . . 116 5.6 Conclusion . . . 119

Chapitre 5 Dispositif QAGRIP : création du plasma avec une impulsion longue de faible intensité

5.1 Intérêt

Nous avons vu dans le chapitre 2 de ce manuscrit que les expériences menées sur la station LASERIX peuvent requérir l’utilisation simultanée de plusieurs fais-ceaux infrarouges (IR) ou X-UV synchronisés [Ros 13]. Dans le cas d’une expérience pompe-sonde XUV-IR à haute résolution temporelle, il est en effet indispensable que la pompe IR possède le meilleur contraste temporel possible. On ne peut donc pas utiliser l’impulsion mise en forme pour générer le laser X-UV lorsqu’elle est précédée de répliques qui peuvent perturber l’interaction entre la pompe et l’échan-tillon [Wilson 12]. De même, l’efficacité de génération d’harmoniques d’ordres élevés (HOE) qui sera utilisée pour injecter les lasers X-UV pourrait être dégradée par la présence de pré-impulsions.

Nous proposons dans cette partie une méthode alternative de génération du laser X-UV basée sur une impulsion de pompe à haut contraste temporel et l’utilisation d’un laser annexe de durée longue par rapport à ce que peut produire les dispositifs basés sur le laser pilote. Notons que le coût d’investissement et de fonctionnement de ces lasers est très inférieur à celui des chaînes laser Ti :Sa qui doivent être réservées aux impulsions pour lesquelles elles sont réellement requises. Cette nouvelle méthode est compatible avec les expériences pompe-sonde à haut contraste qui peuvent être menées sur LASERIX, tout en restant simple d’utilisation ; elle a été mise en oeuvre pour une mesure d’opacité résolue en temps à l’échelle picoseconde d’un plasma créé par laser femtoseconde [Shahzad 15]. L’acronyme « QAGRIP » pour Q-switched assisted GRazing Incidence Pumping, sera utilisé dans la suite du manuscrit.

5.2 Descriptif du dispositif QAGRIP

Le dispositif expérimental QAGRIP est illustré sur la figure 5.2.1a. Une impulsion longue de 6 ns (FWHM) et de 140 mJ d’énergie, issue d’un laser Nd :YAG doublé en fréquence (⁄2Ê = 532 nm), interagit en incidence normale avec la cible solide pour créer le plasma. L’impulsion est focalisée à l’aide d’une lentille cylindrique pour former une ligne de 0.1 ◊ 5 mm2 avec une intensité nominale sur cible de ≥ 5 ◊ 109W.cm≠2. Le système de focalisation de l’impulsion de pompe, décrit précisément dans la section 2.3.1, demeure identique aux précédentes configurations. Une ligne de 0.08◊5 mm2est ainsi générée pour le pompage du plasma. Le recouvrement des deux lignes focales est entièrement ajustable sous vide grâce aux montures motorisées de la voie du laser pilote et contrôlé avec le système d’imagerie RILF (décrit au § 2.3.2). Un ajustement fin peut également être réalisé avec les montures situées sur la ligne de lumière du laser annexe, sans déformation notable de la ligne focale de l’impulsion plasma. Par ailleurs, cette dernière est plus large de 25 % que celle formée par la pompe ce qui assure un recouvrement tir à tir optimal.

La séquence temporelle de production du laser X-UV en configuration QAGRIP est représentée en figure 5.2.1a. À la différence des autres configurations décrites dans ce manuscrit (chapitre 3 & 4), le retard entre les deux impulsions est ici contrôlable à partir du système électronique de synchronisation du laser pilote. Pour faire varier