Dispositif

L’intensité lumineuse sur cible se définit par le ratio entre d’une part, l’énergie de l’impulsion laser multipliée par la longueur d’onde et d’autre part, la durée d’impulsion multipliée par la surface de la tache focale (W.μm2.cm-2). L’énergie, la longueur d’onde et la durée d’impulsion étant des paramètres intrinsèques au laser, nous avons cherché ici à réduire fortement la dimension de la tache focale en travaillant sur l’optique de focalisation. En insérant un ellipsoïde en verre, fonctionnant comme un miroir plasma, entre la parabole et la zone d’interaction laser cible, nous avons montré que l’on peut refocaliser plus fortement le laser. De cette manière, il a été possible de passer d’une focalisation f/2,7, d’une parabole classique, à f/0,4 tout en augmentant le contraste de l’impulsion laser.

1.1. Contexte.

Tous les résultats obtenus, soit expérimentalement, soit avec des simulations, montrent unanimement que l’énergie maximum des protons augmente lorsque l’intensité laser augmente (Fuchs et al., 2006a). L’intensité laser, mesurée en W.μm2.cm-2, peut donc être modifiée en jouant sur 4 paramètres. Même si l’intensité dépend de la longueur d’onde laser à la puissance 2, il n’en reste pas moins que ce paramètre est très rarement exploité du fait qu’il est peu modulable. En effet, la longueur d’onde dépend directement de la technologie laser employée et plus précisément des caractéristiques du milieu amplificateur. Or, peu de matériaux ont les propriétés optiques nécessaires pour pouvoir être utilisés comme milieu amplificateur. À noter que des expériences sont réalisés avec des lasers CO2 à λ=10,6 μm de longueur d’onde, mais les intensités accessibles

restent faibles et de l’ordre de 1.1016 W.cm-2 (Haberberger et al.). La durée d’impulsion dépend également de la technologie employée et du milieu amplificateur, tout en étant bien plus modulable. Néanmoins, les technologies permettant de réduire significativement la durée d’impulsion (milieu amplificateur Ti:saphir) ne permettent pas, à l’heure actuelle, d’obtenir des énergies laser importantes, à cause de la difficulté à fabriquer des cristaux de grandes dimensions. Les technologies de type Nd:glass (durée d’impulsion > 200 fs) utilisent quant à elles des milieux amplificateurs pouvant être de grande dimension et permettant d’accroître l’amplification. En effet, pour augmenter l’énergie laser il est nécessaire d’augmenter le nombre d’étages d’amplification, mais également la dimension du faisceau afin de limiter la fluence sur les optiques de la chaine laser et rester en deçà du seuil de dommage. Pour ces raisons, l’augmentation de l’intensité laser passe inévitablement par des installations plus imposantes et ayant un coût bien plus élevé.

En résumé, tous les paramètres précédents sont entièrement dépendants de l’installation laser et ne peuvent donc, en tant qu’expérimentateur, être modulés à notre guise. Des paramètres permettant l’augmentation de l’intensité laser, il n’en reste qu’un qui, lui, est quasiment indépendant de la chaîne laser et peut donc être plus facilement amélioré par les expérimentateurs. En effet, la dimension de la tache focale dépend en grande partie de l’optique de focalisation et peut être ajustée directement dans la chambre d’expérience.

1.2. Pouvoir de focalisation.

La dimension de la tache focale d’un faisceau parfait et focalisé par une optique stigmatique est limitée par la limite de diffraction. Dans le cas idéal d’un faisceau collimaté, présentant une répartition spatiale en énergie uniforme et un front de phase plat, on est limité par les dimensions de la tache d’Airy (Born and Wolf, 1980) qui est donné par, dans le cas de l’approximation paraxiale :

D

= 1,22* *f

Chapitre III : Focalisation extrême.  69 

Dans l’expression ci-dessus, d correspond à l’ouverture du faisceau (diamètre) et f la distance focale de la parabole. D0 correspond au premier zéro de la fonction de Bessel et

approximativement à la largeur à mi-hauteur du lobe central de la tâche d’Airy. Différentes techniques optiques permettent de s’approcher de cette limite. Tout d’abord, l’utilisation d’une optique adaptative, telle qu’un miroir déformable permet de lisser le front de phase du faisceau collimaté, en ajustant localement le trajet des rayons lumineux. Afin de contrôler la répartition spatiale de l’énergie dans le faisceau, les milieux amplificateurs sont quant à eux sont pompés le plus uniformément possible. De plus, ces faisceaux laser sont généralement focalisés par des optiques stigmatiques telles que des paraboles hors axes, afin de s’affranchir des aberrations géométriques. De cette manière, il est généralement possible de s’approcher de la dimension théorique de la largeur à mi-hauteur (FWHM) idéale et d’obtenir une tache focale valant 2 à 3 fois la tache d’Airy.

Dans la plupart des expériences d’interaction laser matière, on se limite à des paraboles f/3 ou f/4, avec f/# qui défini le pouvoir de focalisation (f/# = d). Cette limitation est liée, d’une part à la complexité de fabrication d’optique de plus petit #, et de bonne qualité et d’autre part par les risques d’endommagement rapide de ces optiques causés par leur proximité de la zone d’interaction. De plus, la diminution de # complique fortement le montage expérimental ainsi que l’alignement de l’optique, ce qui ne permet donc pas forcément d’obtenir une tache focale plus petite.

1.3. Description de l’optique de refocalisation et technique d’alignement.

Malgré ces difficultés, une optique de très courte focale a été développée et testée au cours d’une campagne d’expérience menée au LULI, afin d’explorer la possibilité d’augmenter l’intensité laser en réduisant significativement la dimension de la tache focale. L’idée développée à l’Université d’Osaka par le groupe de R. Kodama, M.Nakatsutsumi et al., à partir de 2006, consiste à utiliser un morceau d’ellipsoïde de révolution en verre, comportant donc 2 foyers. La géométrie de l’ellipsoïde s’exprime suivant x2/a2+y2/b2=1, où a=3,5 mm, b=2,012 mm et sont respectivement les axes majeur et mineur de l’ellipse. Ceci équivaut ainsi à une excentricité de ε=0,818. Comme montré sur la Figure 31, le faisceau laser est injecté avec un angle de 13˚ par rapport à l’axe majeur de l’optique de focalisation.

  Figure 31 : Schéma de principe de l’optique utilisée pour la focalisation extrême du faisceau laser du 100 TW du LULI au cours des expériences de novembre 2008.

Cette optique en verre (K-PBK40) d’environ 1 cm3 est utilisée au dessus du seuil d’ionisation et fonctionne comme un miroir plasma (Doumy et al., 2004). L’optique étant à usage unique, elle peut être positionnée très proche de la zone d’interaction laser-plasma sans craindre de

70  Chapitre III : Focalisation extrême. 

l’endommager avec les débris de la cible. Dans la pratique le faisceau laser est focalisé au premier foyer de l’ellipse. L’impulsion laser est ensuite réfléchie par le plasma créé par l’ASE ou le front de montée de l’impulsion (Doumy et al., 2004), à la surface de l’ellipsoïde, pour ensuite être refocalisée plus fortement au niveau du second foyer (cf. Figure 31).

Le grossissement de l’optique peut simplement être exprimé par ρ’/ρ, où ρ correspond à la distance entre le premier point focal (ici, le point focal de la parabole) et le point de croisement entre l’axe principal d’incidence du laser et la surface de l’optique. ρ’ correspond quant à lui à la distance entre ce point de croisement et le second foyer de l’ellipsoïde (nouveau point de focalisation laser). Le grossissement géométrique de la tache focale s’exprime alors par ρ’/ρ=[(1+ε2)-2εcosθ] /(1-ε2) = 0,24 (Stavroudis and Ames, 1992) ce qui revient au rapport entre l’angle de collection (θ=20,8˚) et l’angle d’ouverture de sortie (103˚) du laser.

La géométrie de l’optique rend cette dernière stigmatique ce qui signifie que tous les rayons passant par le premier foyer de l’ellipse convergeront au second foyer. De plus, le design de cette optique permet de s’affranchir des problèmes d’axe d’entrée du laser sur celle-ci, ce qui simplifie fortement l’alignement. En effet, l’alignement ne dépend pas de l’angle d’incidence du laser sur celle-ci, contrairement à une parabole, où cet angle est très critique pour l’alignement. Pour le positionnement, il est donc uniquement nécessaire de veiller à ce que la tache focale de la parabole coïncide parfaitement avec le premier foyer de l’ellipsoïde et que tous les rayons lumineux soient bien réfléchis par la surface de l’optique.

Fonctionnant comme un miroir plasma, il est nécessaire d’utiliser l’optique avec la bonne fluence (J.cm-2) et donc d’effectuer une calibration avant chaque utilisation sur une installation laser. Cette utilisation qui implique, malheureusement, un usage unique du miroir plasma elliptique augmente de ce fait le temps entre deux tirs successifs. Même si le prix unitaire est aujourd’hui important, la géométrie compacte de l’optique limite grandement le coût dans le cas d’une fabrication en série.

Dans la suite de ce chapitre, l’acronyme EPM, pour Elliptical Plasma Mirror sera utilisé par souci de simplicité et afin d’alléger le texte. Nous utiliserons également PM pour désigner un miroir plasma plan.