Le diagnostic Brillouin de 2006

On a r´ealis´e ce diagnostic pour comparer le taux de r´etrodiffusion Brillouin et les spectres de la lumi`ere r´etrodiffus´ee `a 2ω et `a 3ω. Les longueurs d’ondes attendues sont comprises entre

λlaser − 20 ˚A et λlaser + 20 ˚A. Le diagnostic a donc ´et´e con¸cu pour atteindre les objectifs suivants :

1. mesurer le spectre de la lumi`ere r´etrodiffus´ee r´esolu temporellement entre λlaser − 30 ˚

A et λlaser+ 30 ˚A `a 2ω et 3ω.

2. mesurer le taux de r´etrodiffusion du laser sur la gamme spectrale pr´ec´edente. 3. utiliser un mˆeme diagnostic pour obtenir les mesures `a 2ω et `a 3ω.

Pr´esentation du diagnostic Les diagnostics de r´etrodiffusion mis en place en 2006 sont sch´ematis´es sur la figure 2.10. 4% de la lumi`ere r´etrodiffus´ee est pr´elev´ee par une lame prismatique, puis transport´ee par des miroirs plans, jusqu’`a une lame s´eparatrice. Cette lame envoie 50% de la lumi`ere vers la table d’analyse Brillouin. Cette lumi`ere est focalis´ee par un miroir sph´erique de focale 2 m, sur la fente d’entr´ee d’un spectrom`etre, une lame de verre envoie 8% de cette lumi`ere vers une photodiode rapide.

La figure 2.11 pr´esente le syst`eme compos´e de l’association d’un spectrom`etre et d’une cam´era `a balayage de fente (CBF), il est utilis´e pour mesurer les spectres Brillouin r´etrodiffu- s´es, r´esolus en temps. Les longueurs d’ondes sont s´epar´ees par un r´eseau tr`es dispersif, puis focalis´ees sur le miroir de sortie du spectrom`etre (Mb6). Ensuite, on utilise une lentille pour imager la lumi`ere sur la fente d’entr´ee d’une CBF, celle-ci permet d’obtenir une r´esolution temporelle. Afin de conserver la mˆeme distance entre le spectrom`etre et la CBF `a 2ω et `a

Chapitre 2. Description des exp´eriences : lasers et diagnostics

2 Dispositif exp´erimental sur le LULI 2000

Figure 2.11 – Sch´ema du syst`eme de mesure des spectres Brillouin r´etrodiffus´es

3ω, on utilise une lentille diff´erente dans chaque cas. L’utilisation de miroir pour le transport d’image permet de limiter les r´ealignements entre l’utilisation du diagnostic `a 2ω et `a 3ω.

Sur la figure 2.12, on a sch´ematis´e le diagnostic Brillouin sous forme d´epli´ee. On y a report´e les longueurs utiles que l’on utilise par la suite.

Afin de mieux cerner le diagnostic de r´etrodiffusion, il est essentiel de d´etailler les ca- ract´eristiques des composants optiques utilis´es :

La lentille de focalisation

A 2ω, on utilise une lentille BK7 de focale 800 mm `a 2ω trait´ee antireflet sur les 2 faces `

a 2ω. A 3ω, la lentille est en silice de focale 800 mm trait´ee antireflet 3ω sur les deux faces. On peut consid´erer que pour les deux lentilles la transmission est totale.

La lame prismatique

A 2ω, la lame est en BK7 trait´ee antireflet 2ω sur la face situ´ee cˆot´e enceinte. A 3ω, la lame est en silice trait´ee antireflet 3ω sur la face situ´ee cˆot´e enceinte. Le pr´el`evement de faisceau est r´ealis´e `a partir d’une r´eflexion `a 4% d’´energie sur la face non trait´ee (face situ´ee cot´e laser).

Les miroirs plans

Les miroirs plans sont des miroirs en aluminium. Ils r´efl´echissent 85% de la lumi`ere `a 2ω et `a 3ω.

Les miroirs sph´eriques

Il s’agit aussi de miroirs aluminium. Un miroir sph´erique de focale 2 m est utilis´e pour focaliser la lumi`ere `a l’entr´ee du spectrom`etre. Un miroir sph´erique de focale 1,15 m est utilis´e `a l’int´erieur du spectrom`etre.

Chapitre 2. Description des exp´eriences : lasers et diagnostics

Figure 2.12 – Sch´ema d´epli´e du diagnostic Brillouin (les longueurs qui sont utilis´ees dans les calculs r´ealis´es dans ce chapitre sont indiqu´ees)

La lame de verre

Elle induit une r´eflexion de 4% sur chaque face donc une transmission de 8%. Elle est tr`es fine, par cons´equent, les deux r´eflexions sont approximativement superpos´ees, et le d´epointage introduit par la lame est n´egligeable.

La photodiode

Il s’agit d’une photodiode de type Photek S20. Dans la plage de longueur d’onde utilis´ee, sa sensibilit´e est constante, elle a ´et´e mesur´ee `a 51 mA/W, elle est associ´ee `a une r´esistance d’imp´edance 50 Ω. L’ensemble a donc une sensibilit´e de 2,55 V/W. Un diffuseur est plac´e devant la photodiode pour que l’impulsion lumineuse qui arrive sur la photodiode couvre bien l’ensemble du capteur et ´evite des sur intensit´es satur´ees.

Le spectrom`etre

Le r´eseau fait 1200 traits/mm, il est utilis´e dans le deuxi`eme ordre. La dispersion attendue en sortie de spectrom`etre est de 2,6 ˚A/mm. Il n’induit aucun grandissement entre la fente d’entr´ee et le miroir de sortie.

La CBF

La CBF est de type Hamamatsu S20, elle est utilis´ee avec une fenˆetre temporelle de 5,35 ns. La photocathode situ´ee `a l’entr´ee de la CBF mesure 13, 2× 17, 2 mm. Une cam´era (CCD pour Charge-Coupled Device) est ins´er´ee `a l’arri`ere de la CBF. Il faut noter que les capteurs ont une taille de 13 μm2.

La lentille situ´ee entre le spectrom`etre et la CBF

La distance choisie entre la sortie du spectrom`etre et l’entr´ee de la CBF est de 885 mm. Pour r´ealiser l’imagerie entre le spectrom`etre et la fente d’entr´ee de la CBF, on

2 Dispositif exp´erimental sur le LULI 2000

Mb4 Mb5 r´eseau Mb5 Mb6 Mb7 Lentille d’in-

jection (2ω)

Lentille d’in- jection (3ω) Diam`etre de l’optique ou

hauteur×largeur (mm) 150 300× 300 73 × 82 300× 300 5 × 100 120 60 60

Diam`etre horizontal du faisceau sur l’optique (mm)

33 55 55 55 0 15 51 45

Tableau 2.1 – Comparaison du diam`etre des optiques avec la largeur du faisceau r´etrodiffus´e sur l’optique pour le diagnostic Brillouin.

utilise `a 2ω une lentille silice de focale 198 mm et `a 3ω une lentille silice de focale 216,4 mm. Les grandissements attendus sont respectivement de 0,53 `a 2ω et de 0,74 `a 3ω.

Les filtres color´es

A 2ω comme `a 3ω, sur la photodiode et sur le spectrom`etre, un filtre de type BG39 permet de supprimer les r´eflexions du laser `a ω. Sur la photodiode, un filtre interf´erentiel de bande passante 10 nm permet de supprimer l’´energie Raman r´etrodiffus´ee. Pour att´enuer le signal, on utilise des densit´es optiques neutres calibr´ees de type NG. A 3ω un filtre de type UG11 est utilis´e sur l’entr´ee du spectrom`etre pour supprimer la contribution Raman.

Les contraintes exp´erimentales Comme dans toute exp´erience, certains ´el´ements doivent ˆ

etre respect´es afin d’obtenir de bons r´esultats : 1. Etude en champs du diagnostic

Il est n´ecessaire d’adapter la taille des optiques afin de collecter l’ensemble de la lumi`ere r´etrodiffus´ee. Dans le tableau2.1on a compar´e la largeur du faisceau sur chaque optique (qui prend en compte l’angle du faisceau sur l’optique) avec la taille de l’optique. Etant donn´e que la dispersion du spectrom`etre induit un ´elargissement de la lumi`ere, on a pris en consid´eration ce ph´enom`ene dans le calcul du diam`etre du faisceau au niveau de la lentille d’injection. L’´etude en champs indique que le faisceau n’est pas coup´e avant d’atteindre la CBF.

2. Intensit´e maximale admissible sur les miroirs

Pour ne pas endommager les miroirs aluminium, l’intensit´e lumineuse r´efl´echie ne doit pas d´epasser 15mJ/cm2. Sur le montage, l’intensit´e maximale est situ´ee au niveau du miroir Mb4, pour une r´etrodiffusion de 10% (valeur typique de la r´etrodiffusion Brillouin en r´egime satur´e) et une ´energie incidente de 350 J. En supposant que l’´energie laser est uniform´ement r´epartie sur un diam`etre de 186 mm, on calcule que intensit´e sur le miroir Mb4 est de 4,33 mJ/cm2 et satisfait donc au crit`ere pr´e´etabli.

Chapitre 2. Description des exp´eriences : lasers et diagnostics 3. La taille des fentes du spectrom`etre et de la CBF

Les fentes d’entr´ee du spectrom`etre et de la CBF doivent ˆetre suffisamment ouvertes pour ne pas couper le faisceau. Le grandissement de l’image entre le centre chambre et l’entr´ee du spectrom`etre est de 2,5. De plus, nous avons montr´e dans la section 2.2.4

que la tache focale a un diam`etre `a 90% de l’´energie de 90 μm. Par cons´equent, la fente du spectrom`etre doit avoir une ouverture minimale de 225 μm. Il faut noter que la lentille de reprise induit aussi un grandissement. On calcule que l’ouverture de la fente de la CBF doit ˆetre de 113 μm `a 2ω et de 166 μm `a 3ω.

La zone d’interaction faisant 500 μm, si on veut collecter la lumi`ere qui vient d’une zone situ´ee 250 μm de part et d’autre du point de focalisation, le grandissement longitudinal du diagnostic ´etant de 2, 52 = 6, 25, on trouve que la fente du spectrom`etre doit ˆetre d’au moins 303 μm et que la fente de la CBF doit avoir une ouverture minimale de 152 μm `a 2ω et de 223 μm `a 3ω. Pendant l’exp´erience, on a utilis´e des fentes de spectrom`etre et de CBF de l’ordre de 500 μm `a 2ω et `a 3ω.

La mise en place du diagnostic 1. L’alignement des optiques

L’alignement des optiques se fait en deux temps : le premier alignement est r´ealis´e en utilisant un laser He-Ne align´e sur l’axe du faisceau r´etrodiffus´e, par ce proc´ed´e, on aligne l’axe des optiques. Le deuxi`eme alignement est r´ealis´e en faisant une image d’une bille, plac´ee en centre chambre, ´eclair´ee par une source blanche, sur la CBF utilis´ee en mode focus. Ce deuxi`eme alignement permet de r´egler la focalisation des optiques `

a la longueur d’onde laser. On peut remarquer que, durant les exp´eriences, lors du deuxi`eme alignement, on a ajust´e la fente de la CBF pour ne pas couper la lumi`ere venant d’une bille de 200 μm (soit 2× la taille de la tache focale), assurant ainsi la collection de l’ensemble de la lumi`ere provenant de la tache focale.

2. La synchronisation de la CBF

Le d´eclenchement de la CBF doit ˆetre synchronis´e avec l’arriv´ee de la lumi`ere r´etrodiffu- s´ee sur sa fente : afin de connaˆıtre le retard (R) `a mettre sur le signal de synchronisation, il est n´ecessaire de d´efinir les d´elais

– τ₁ entre l’arriv´ee du laser en centre chambre et l’arriv´ee du signal de synchronisation sur la CBF, celui-ci est donn´e par l’´equipe d’exploitation du laser.

– τ₂ que met la lumi`ere r´etrodiffus´ee pour aller du centre chambre `a la fente d’entr´ee de la CBF, celui-ci est ´egal au trajet optique divis´e par la vitesse de la lumi`ere. – le d´elai interne τ₃ de la CBF, donn´e par manuel d’utilisation, en fonction de son

2 Dispositif exp´erimental sur le LULI 2000 Le retard R `a mettre sur le signal de synchronisation est ´egal `a :

R = τ₁+ τ₂− τ₃ (2.12)

Exp´erimentalement, le d´elai est ajust´e avec un miroir positionn´e `a l’arri`ere de la lame de pr´el`evement dans le but de simuler la r´etrodiffusion. Ensuite, on ajoute le d´elai correspondant `a la diff´erence de chemin optique entre la lumi`ere renvoy´ee par ce miroir et la lumi`ere r´etrodiffus´ee (qui est ´egale `a deux fois la distance entre le miroir et le centre chambre) au le signal de synchronisation. Les derniers r´eglages sont effectu´es lors des premiers tirs laser.

3. La dispersion du spectrom`etre

La mesure de la dispersion du spectrom`etre est r´ealis´ee au niveau de la CBF utilis´ee en mode focus : une lampe spectrale est install´ee devant la fente d’entr´ee du spectrom`etre et les diff´erentes raies sont observ´ees sur la CCD plac´ee `a l’arri`ere de la CBF.

A 2ω, on mesure, avec la lampe spectrale la dispersion du spectrom`etre dans la fenˆetre en bougeant le compteur pour pouvoir observer les deux raies du mercure : 576,96 nm et 579,07 nm. Les deux raies ´etant s´epar´ees sur la CCD de 342 pixels et sachant qu’elle est regard´ee sur 1343 pixels, on a donc 82,8 ˚A sur la fenˆetre. La photocathode faisant 17,2 mm, on mesure une dispersion spectrale ds_2ω,2006 de :

ds_2ω,2006 = 4, 82˚A/mm

La dispersion attendue au niveau de la sortie du spectrom`etre ´etant de 2,6 ˚A/mm, la lentille de reprise induit donc un grandissement de 0,54.

A 3ω, en observant les raies du mercure : 365,02 nm et 366,22 nm, on mesure une fenˆetre spectrale vue par le diagnostic de 69 ˚A. La dispersion spectrale ds_3ω,2006 est donc de :

ds_3ω,2006 = 4, 01˚A/nm

On d´eduit que la lentille de reprise induit un grandissement de 0,65. Les caract´eristiques du diagnostic

1. La r´esolution du diagnostic

A l’entr´ee du spectrom`etre et `a l’entr´ee de la CBF, la taille de la tache focale est plus petite que la taille des fentes, les r´esolutions spectrale et temporelle du diagnostic sont donc limit´ees par la taille de la tache focale sur l’entr´ee du spectrom`etre et de la CBF. On a trouv´e que la r´esolution spectrale du diagnostic est de 0,585 ˚A `a 2ω et `a 3ω, et que la r´esolution temporelle est de 46 ps `a 2ω et de 67 ps `a 3ω.

Chapitre 2. Description des exp´eriences : lasers et diagnostics

Figure 2.13 – Mesure du temps de mont´ee et de descente du diagnostic de mesure d’´energie `a partir de la r´eponse du syst`eme obtenue lors d’un tir de calibration

2. R´esolution temporelle du diagnostic de mesure d’´energie

Pour mesurer le temps de mont´ee et le temps de descente du syst`eme compos´e de la photodiode, du cˆablage et de l’oscilloscope, on utilise le signal obtenu lors d’un tir de calibration. Ce signal est trac´e sur la figure 2.13 : on constate que les temps de mont´ee et de descente sont similaires, de l’ordre de 2 ns. Le signal r´etrodiffus´e a une dur´ee maximum de 1,5 ns, donc, le diagnostic ne permet pas de le r´esoudre temporellement, par cons´equent, la tension maximale obtenue est proportionnelle `a l’int´egrale de l’impulsion lumineuse, c’est-`a-dire `a son ´energie.

3. Calibration de la photodiode

Elle est r´ealis´ee en tirant sur un miroir situ´e derri`ere la lame prismatique (voir figure

2.14 a). Cette technique permet de mesurer la tension de la photodiode SBS pour une ´

energie r´etrodiffus´ee ´egale `a l’´energie laser (transmission de la lentille de focalisation ≈ 1), en s’affranchissant de la mesure pr´ecise de l’absorption du faisceau due aux optiques situ´ees entre la lentille de focalisation et la photodiode. Afin de ne pas endommager les diff´erentes optiques, l’´energie laser est largement r´eduite par des densit´es calibr´ees introduites entre le miroir et la lame prismatique.

De plus, ce tir permet d’´eviter les incertitudes li´ees `a la calibration de l’´energie laser pour la mesure du taux de r´etrodiffusion. En effet, pendant le tir de calibration, la tension T<sub>1,calib</sub> (respectivement T<sub>2,calib</sub>) obtenue sur la photodiode mesurant l’´energie laser (respectivement l’´energie Brillouin r´etrodiffus´ee) sont proportionnelles `a l’´energie laser incidente (Elaser,calib) :

Elaser,calib = αT1,calib= βT2,calib (2.13) o`u α et β sont les coefficients de proportionnalit´e correspondant.

2 Dispositif exp´erimental sur le LULI 2000

Figure 2.14 – a) Position du miroir de calibration ; b) technique de mesure du taux de r´etrodiffusion `a partir des r´esultats obtenus lors du tir de calibration : cette tech- nique permet de s’affranchir des incertitudes de la calibration de l’´energie laser

Par cons´equent, lors d’un tir laser, la tension T₁ obtenue sur la photodiode mesurant l’´energie laser est reli´ee `a l’´energie laser incidente (Elaser) par :

Elaser = αT1 (2.14)

De plus, la tension T₂obtenue sur la photodiode mesurant l’´energie Brillouin r´etrodiffus´ee est reli´ee `a l’´energie Brillouin r´etrodiffus´ee (ESBS) par :

ESBS = βT2 (2.15)

Le taux de r´etrodiffusion R est alors donn´e par :

R = βT2 αT₁ = T₂ T_2,calib × T_1,calib T₁ (2.16)

Le calcul est pr´esent´e sur la figure2.14 b).

A 2ω, les tirs ont ´et´e r´ealis´es avec une ´energie laser (`a la sortie des densit´es optiques) de 4,6 J sur le miroir. On a mis devant la diode une densit´e optique de 5, un filtre interf´erentiel centr´e sur 526 nm de largeur 10 nm, un filtre color´e de type BG 39 et un diffuseur. On obtient sur l’oscilloscope une tension maximale de 556 mV. La r´eponse du syst`eme de mesure d’´energie est de :

E(J ) = 8, 27U (V )× 10DO−4

o`u U(V) repr´esente la tension maximale obtenue sur l’oscilloscope et DO est la densit´e optique mise devant la photodiode.

Chapitre 2. Description des exp´eriences : lasers et diagnostics

δλ/δx (˚A/mm) r´esolution temporelle (ps) r´esolution spectrale (˚A) calibration (J)

2ω 4,82 46 0,585 8, 27× U(V ) × 10DO−4

3ω 4,01 67 0,585 1, 01× U(V ) × 10DO

Tableau 2.2 – Synth`ese des caract´eristiques du diagnostic Brillouin.

A 3ω, on a tir´e avec une ´energie laser de 0,2 J `a la sortie des densit´es optiques. Devant la diode, on a mis 3 mm d’UG 11, 3 mm de BG 39, un filtre interf´erentiel centr´e sur 351 nm et un diffuseur. On a obtenu sur l’oscilloscope une tension maximale de 198 mV. On obtient la r´eponse du syst`eme de mesure :

E(J ) = 1, 01U (V )× 10DO

Dans le tableau2.2, on a synth´etis´e les diff´erentes caract´eristiques du diagnostic Brillouin `

a 2ω et `a 3ω.