Dispositif expérimental et résultats préliminaires.

Le dispositif expérimental utilisé est identique à celui représenté en Figure IV-4. La LBF a été remplacée par une matrice de Shack – Hartmann (SH) constituée de 200 LBF de 1 mm de diamètre régulièrement espacées de 200µm, fonctionnant sous incidence de 22,5°. Le dépôt multicouche est constitué d’une alternance de Sc/Si, censé assurer théoriquement une réflectivité de plus de 60% à 38,1nm (H21). De plus ce couple de matériau présente une faible bande passante coupant la plupart des autres ordres harmoniques et limitant la réflectivité des ordres voisins à moins de 10%. Les différentes longueurs d’ondes focalisées ainsi que l’ordre 0 des LBF ne devraient donc pas être un problème pour la détection des foyers. Le support servant au Foucaultage a bien évidemment été retiré, ainsi que le photomultiplicateur. Une caméra CCD amincie, placée à 50cm de la matrice, est utilisée pour la détection des foyers. Etant donné la sensibilité de la caméra à l’IR, deux filtres Al auto-supportés de 1000Å, de diamètre 8mm, ont été placés entre la matrice SH et le détecteur de sorte que la surface d’onde de l’impulsion harmonique ne soit pas détériorée avant échantillonnage. Chaque lentille, constituée de 18 zones dont la dernière a une largeur de 13µm, a une focale de 50cm. Compte tenu des mesures sur la LBF présentées précédemment, on peut s’attendre à une taille au foyer pour chaque lentille de l’ordre de 50µm. Il est important que les foyers soient de petite dimension afin d’éviter qu’ils ne se recouvrent dans le plan du détecteur et ainsi avoir une bonne résolution de mesure. Le rayonnement harmonique est généré en focalisant un faisceau IR annulaire à 2.1014W/cm2 dans un jet long d’argon. L’échantillonnage du front d’onde du rayonnement harmonique conduit à une succession de foyers enregistrés avec la CCD (1 point ⇔ 1 LBF). La Figure IV-14 représente une image monocoup. Différentes observations peuvent être faites sur cette image.

La section du faisceau harmonique au niveau de la matrice de SH est d’environ 6mm, permettant d’éclairer une vingtaine de LBF. Ce nombre de points est cependant trop faible pour effectuer une analyse précise de la position du barycentre de la distribution d’éclairement correspondant à chaque lentille. En effet les algorithmes de reconnaissance de forme utilisés pour ce genre d’analyse nécessitent 5 à 10 fois plus de points de mesure pour être précis et efficaces. Il serait possible d’augmenter la surface insolée par le rayonnement harmonique en se plaçant plus loin de la source d’émission, à environ 5m. Le flux harmonique détecté est alors réduit de plus d’un facteur 20 ce qui rend alors difficile l’acquisition monocoup d’images. Une accumulation de plusieurs tirs risque d’introduire des variations de la position des foyers indépendantes de la qualité de la surface d’onde mais corrélées à des fluctuations de pointée du rayonnement incident.

Chapitre IV : Focalisation du rayonnement UVX par génération d’harmoniques.

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Figure IV-14: Taches de focalisation du rayonnement harmonique par la matrice de Shack – Hartmann.

Les zones circulaires les plus sombres de l’image sont les LBF avec en leur centre le faisceau focalisé, qui présente un diamètre de 200µm. Ces taches ont une forme légèrement elliptique et annulaire ; la distribution d’éclairement est minimale au centre du faisceau focalisé. Comme nous l’avons expliqué à la section B-3. de ce chapitre, il existe des positions sur l’axe de focalisation pour lesquelles la distribution d’éclairement est quasi nulle sur l’axe, résultant en un faisceau annulaire. Cette image illustre le fait que nous n’avons pas réussi, à cause de divers problèmes techniques, à placer le détecteur exactement au foyer de la matrice SH et explique par là même la dimension du faisceau focalisé. Malgré de nombreuses tentatives de positionnement au foyer de la matrice, dans le temps laser qui nous était imparti, il nous a été impossible de trouver la bonne position du détecteur pour observer des foyers de l’ordre de 50µm. Les taches intenses présentaient quasi constamment la même section sur tout l’intervalle exploré en z, qui était de l’ordre de la profondeur de champ de l’harmonique 21 focalisée (zpc=±0,9cm). Le dispositif expérimental ne permettait pas une exploration ni plus

large, ni un échantillonnage plus fin. De même, nous n’avons pas observé de variation du front d’onde en fonction des conditions de génération, qui doivent normalement avoir lieu notamment en présence d’ionisation du milieu. Le front d’onde semble régulier étant donné la disposition régulière des faisceaux focalisés. Il semble donc que la résolution du système ne soit pas suffisante.

Nous nous sommes alors intéressés aux causes possibles de ce manque de précision. Nous avons effectué des mesures de réflectivité du dépôt multicouche de Sc/Si dans lequel sont gravées les LBF. Les résultats de cette mesure expérimentale sont comparés avec la courbe théorique en Figure IV-15. On remarque que la multicouche n’est absolument pas sélective à la longueur d’onde désirée de l’harmonique 21 (38,1nm), la réflectivité étant 10

Chapitre IV : Focalisation du rayonnement UVX par génération d’harmoniques.

fois plus faible que la valeur calculée. De plus les ordres harmoniques adjacents sont fortement réfléchies, ce qui empêche de visualiser les foyers désirés sur la matrice CCD. Il s’est avéré par la suite que ce dépôt multicouche était fortement détérioré, avec un « décollage » des couches, qui interdit une bonne réflectivité et sélectivité, et rend difficile la détection au foyer de la matrice SH. Il est également probable que les gravures formant les LBF, optimisées pour une certaine longueur d’onde (38,1nm), ne remplissent pas correctement leur rôle de focalisation.

48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 0 10 20 30 40 50 60 70 H19 H21 H23 R éf le cti vi té (% ) λ (nm)

Figure IV-15: Réflectivité du dépôt multicouche de Sc/Si mesuré expérimentalement avec les harmoniques (cercle noir) et théorique (trait pointillé).

Sachant que l’harmonique 23 est mieux réfléchie que la 21, il est intéressant de tracer les distributions d’éclairement sur l’axe de ces deux longueurs d’ondes (Figure IV-16). On constate alors qu’au voisinage de la position z0=50cm, pour laquelle la distribution axiale

d’éclairement de l’harmonique 21 est maximale, et la surface du faisceau petite, correspond à un minimum d’éclairement pour l’harmonique 23, donc un faisceau large avec une forme plus ou moins annulaire (par exemple en z0+0,5cm et z0-0,5cm, 0,5cm étant le pas des mesures en

Z). La tache focalisée de l’harmonique 21 est donc constamment noyée dans un large faisceau de l’harmonique 23. Ce bruit de fond est d’autant plus gênant que l’harmonique 23 est 2 fois mieux réfléchie par la multicouche. Il est donc très difficile, dans ces conditions, de détecter des foyers successifs suffisamment intenses, utilisables pour reconstruire la surface d’onde

Chapitre IV : Focalisation du rayonnement UVX par génération d’harmoniques. 171 44 46 48 50 52 54 56 58 60 0 200 400 600 800 1000 1200 H21 f=50cm H23 f=54,8cm Dis tribu tion d' écla irem ent ( x I0 ) Position axiale z (cm)

Figure IV-16: Distribution d’éclairement théorique selon l’axe Z pour l’harmonique 21 (trait plein) et 23 (trait pointillé).

Bien qu’il n’ait pas été possible d’effectuer une mesure du front d’onde de l’harmonique 21 durant cette expérience, nous avons néanmoins cerné les différents problèmes. Il est nécessaire d’avoir une meilleure réflectivité et surtout une meilleure sélectivité du dépôt multicouche dans lequel sont gravées les LBF pour espérer faire une mesure du front d’onde et en observer les variations en fonction des conditions de génération. Les problèmes que nous avons rencontrés sont purement techniques et devraient pouvoir être résolus pour une prochaine tentative. En effet, l’équipe du LSAI, avec qui nous avons collaboré au cours de cette expérience, a démontré la possibilité de mesurer le front d’onde d’un faisceau laser X produit par décharge dans un capillaire (Le Pape et al. 2001a). La matrice SH utilisée était similaire à la nôtre, à ceci près que le rayonnement laser X étant monochromatique, il n’était pas nécessaire d’utiliser un dépôt multicouche qui sélectionne une certaine gamme spectrale. Il n’existe qu’un seul plan focal, ce qui facilite la détection. De plus le flux élevé permet de placer la matrice assez loin de sorte qu’un grand nombre de lentilles sont éclairées. Il ne semble donc pas y avoir de problème fondamental lié à la technique de mesure, même s’il n’a pas été possible de reconstruire la surface d’onde de l’impulsion harmonique, cette expérience reste la première tentative de mesure directe, qui devrait se solder par un résultat concluant dans un avenir proche.

Chapitre IV : Focalisation du rayonnement UVX par génération d’harmoniques.

Conclusion.

Après un rappel des différentes propriétés et grandeurs des optiques diffractives, comme les zones de Fresnel ou les lentilles de Bragg - Fresnel, nous avons présenté les premières mesures de focalisation d’un rayonnement UVX produit par génération d’harmoniques d’ordre élevé par une lentille de Bragg – Fresnel. Le faisceau au foyer de l’optique diffractive présente alors une forme elliptique, de dimension 4,8×2,4µm2 _contenant

70% de l’énergie harmonique incidente. Cette forme particulière est due à la conception de la lentille prévue initialement pour un faisceau laser X à 21,2nm. Cette expérience a également été l’occasion d’observer différentes propriétés de ce type d’optiques, comme l’existence de foyers successifs pour un rayonnement incident polychromatique, la faible profondeur de champ ainsi que la distribution d’éclairement sur l’axe caractéristique des optiques diffractives.

Les mesures de réflectivité et d’efficacité de diffraction de la lentille de Bragg – Fresnel, associées aux mesures de nombre de photons permettent d’estimer l’éclairement atteint à 21,6nm dans les conditions de l’expérience (I37=5.108W/cm2). Cet éclairement reste

faible principalement à cause de l’astygmatisme lié à l’optique et à la mesure de la tache au foyer de la lentille mais aussi en raison de la faible réflectivité réelle de la multicouche. Une extrapolation supposant une tache circulaire et une meilleure réflectivité permet d’estimer des éclairements à 21,6nm et 38,1nm respectivement de l’ordre de 1010W/cm2 et 2.1011W/cm2. L’estimation de l’éclairement atteint a été l’occasion d’insister sur l’allongement temporel introduit par les gravures constituant la lentille, qui est d’autant plus important que la longueur d’onde est élevée.

Nous avons également présenté des résultats préliminaires de mesure de la surface d’onde d’une impulsion harmonique à 38,1nm par une méthode de Shack – Hartmann transposée au domaine des longueurs d’onde UVX, qui permet d’échantillonner le front d’onde. La matrice est constituée de 200 lentilles de Bragg – Fresnel gravées dans un dépôt multicouche de Sc/Si. Bien que l’expérience avec les harmoniques n’ait pas abouti, principalement à cause de problèmes techniques, dans la mesure utilisant des harmoniques, la faisabilité a d’ores et déjà été démontrée sur un laser X. Il ne fait aucun doute qu’il sera possible d’effectuer ce type de mesure sur le rayonnement harmonique dans un avenir proche.

Les principaux problèmes rencontrés dans ces deux expériences sont dus à la faible réflectivité et sélectivité des dépôts multicouches mesurées par rapport à celles attendues théoriquement. Il est nécessaire, pour une utilisation efficace du rayonnement UVX produit par génération d’harmoniques, de continuer à progresser dans ce domaine de recherche. Ainsi, bien que les lentilles de Bragg – Fresnel introduisent un allongement temporel de l’impulsion, elles permettent une focalisation hors axe efficace du rayonnement, ce qui peut s’avérer utile