Dispositif simple

La r´ealisation exp´erimentale d’une mesure de phases relatives des harmoniques n´ecessite de disposer d’un faisceau harmonique et d’un faisceau infrarouge, avec un d´elai variable. Le dispositif que nous avons mis en place en 2003 est pr´esent´e sur la figure 3.3. Nous utilisons le laser LUCA du SPAM, qui fournit des impulsions de 50 fs `a 800 nm, avec un taux de r´ep´etition de 20 Hz et une ´energie pouvant aller jusqu’`a 80 mJ. Dans nos exp´eriences, nous n’avons utilis´e qu’une fraction de cette ´energie (moins de 15 mJ). Le faisceau laser incident est s´epar´e spatialement en deux parties par un miroir trou´e. Le trou dans le miroir a un diam`etre de 8 mm, et le faisceau incident a un diam`etre maximum d’environ 30 mm. La r´epartition spatiale d’´energie du faisceau pr´esentant un profil rectangulaire, la plupart de l’´energie est contenue dans le faisceau annulaire r´efl´echi par le miroir.

Ce faisceau passe par le bras fixe de la ligne `a retard. Il est alors focalis´e par une lentille de 1 m de focale dans un jet puls´e, o`u il g´en`ere des harmoniques d’ordre ´elev´e. Le faisceau annulaire est ensuite bloqu´e par un diaphragme de diam`etre 4 mm plac´e `a 10 cm apr`es le miroir torique (il est avant sur le sch´ema par souci de simplicit´e). Les harmoniques sont principalement ´emises dans l’axe, et la plupart du faisceau UVX passe donc `a travers le diaphragme. Il est refocalis´e par un miroir torique en platine de 70 cm de focale. Le miroir travaille sous 3o d’incidence rasante, ce qui permet d’avoir une

3.2. MISE EN OEUVRE EXP ´ERIMENTALE

(a)

(b)

Fig. 3.3: (a) Dispositif exp´erimental de mesure des phases relatives. (b) Photographie de la ligne `a retard.

0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 R ef le ct iv it é Ordre harmonique P h as e

Fig. 3.4: R´eflectivit´e et d´ephasage `a la r´eflexion calcul´es du miroir en platine, sous 3o

d’incidence rasante.

bonne reflectivit´e sur une large gamme spectrale. De plus, le d´ephasage `a la reflexion induit sur les harmoniques est n´egligeable (figure3.4). Les harmoniques sont focalis´ees dans un jet cible plac´e dans le volume source d’un spectrom`etre d’´electrons `a bouteille magn´etique (Kruit and Read,1983).

La partie centrale du faisceau laser initial passe par le second bras de la ligne `a retard, qui comporte un couple de miroirs mont´es sur une translation pi´ezo-´electrique. Son ´

energie peut ˆetre ajust´ee grˆace `a un polariseur associ´e `a une lame demi-onde motoris´ee, et son diam`etre est ´egalement r´eglable. Ce faisceau passe dans le jet de gaz sans produire d’harmoniques, car son ´eclairement y est trop faible. Il traverse ensuite le diaphragme et est focalis´e par le miroir torique dans le jet cible o`u il peut induire des transitions `a 2 photons 2 couleurs laissant apparaˆıtre des satellites sur le spectre de photo´electrons.

Nous disposons ainsi de deux faisceaux, harmonique et infrarouge, avec un retard va- riable. On peut modifier la polarisation, l’´energie, le diam`etre, et mˆeme la phase spec- trale du faisceau d’habillage. En effet, il est possible d’introduire un ´el´ement dispersif sur la voie de g´en´eration (comme un prisme, sur la photo de la figure 3.3), et de pr´e- compenser `a l’aide des r´eseaux du compresseur la d´erive de fr´equence positive qu’elle introduit. On garde ainsi une impulsion de g´en´eration limit´ee par transform´ee de Fou- rier, tandis que l’impulsion d’habillage a une d´erive de fr´equence n´egative.

Les photo´electrons produits dans la zone d’interaction du spectrom`etre sont collect´es grˆace `a une bouteille magn´etique. La configuration de champs magn´etiques permet la d´etection de tous les ´electrons ´emis dans un angle solide de 2π (Kruit and Read,1983). Les ´electrons ´emis avec la mˆeme ´energie cin´etique arrivent en mˆeme temps au bout du tube de temps de vol, quelle que soit la direction de leur vitesse initiale. Ils sont alors d´etect´es par des galettes de micro-canaux qui premettent d’enregistrer le signal d’´electrons en fonction du temps de vol, avec une r´esolution de l’ordre de 10 ns. La

3.2. MISE EN OEUVRE EXP ´ERIMENTALE

correspondance entre temps de vol et ´energie cin´etique permet de d´eduire simplement le spectre de photo´electrons. Nous avons utilis´e diff´erents gaz de d´etection : l’argon a un faible potentiel d’ionisation (IAr

p = 15.8 eV =10.2~ω0) et une section efficace ´elev´ee pour les harmoniques basses, mais qui chute brusquement et interdit la d´etection d’har- moniques sup´erieures `a H25 ; le n´eon permet de d´etecter les harmoniques `a partir de H15 (I_pN e = 21.6 eV =13.9~ω0) et a une section efficace assez plate jusqu’`a des ordres ´elev´es ; l’h´elium permet de d´etecter `a partir de l’harmonique 17 (I_pHe = 24.6 eV =15.9~ω0) et sa section efficace d´ecroit lentement, permettant ´egalement les mesures d’harmoniques ´elev´ees. La pression du gaz utilis´e dans la chambre de d´etection du spectrom`etre est ajust´ee par une microfuite continue, et est de l’ordre de quelques 10−5 mbar. Elle est choisie pour permettre d’obtenir un spectre en accumulant seulement quelques dizaines de tirs laser, sans toutefois observer d’effet de charge d’espace. Le niveau de signal obtenu dans cette s´erie d’exp´eriences est tr`es sup´erieur `a celui des premi`eres mesures effectu´ees au kilohertz par Pierre-Marie Paul et al.. En effet, les spectres ´etaient alors accumul´es sur 60000 tirs, et de fortes instabilit´es du signal empˆechaient de r´esoudre les oscillations des satellites sans normalisation du signal total (Paul,2001).

Lors de la mise en place du dispositif exp´erimental, le point d´elicat est l’alignement des ´el´ements optiques, notamment du miroir torique. Un syst`eme d’imagerie de la zone d’interaction du spectrom`etre permet de s’assurer que les faisceaux sont bien centr´es entre les pˆoles. Un dispositif de mesure du profil spatial du faisceau infrarouge au foyer du torique ou en champ lointain permet de minimiser les aberrations lors de l’alignement du miroir. L’ajustement fin de la position verticale du faisceau dans la zone d’interaction du spectrom`etre est r´ealis´e en modifiant la hauteur des pieds de l’ensemble du spectrom`etre. Le diaphragme situ´e juste apr`es le torique est amovible, et l’on peut donc v´erifier la superposition spatiale et temporelle des deux faisceaux infrarouges en champ lointain. On peut ´egalement s’assurer que, lorsque le diaphragme est en place, il ´elimine bien la totalit´e du faisceau annulaire de g´en´eration. Lorsque le jet de g´en´eration fonctionne, nous observons parfois un peu du faisceau de g´en´eration qui est diffus´e sur l’axe par le gaz et parvient jusqu’au spectrom`etre. Nous en discuterons les cons´equences lors de l’analyse des donn´ees .

La mesure des phases relatives est bas´ee sur l’observation d’oscillations des satellites `a la fr´equence double du laser lorsque le d´elai varie. Il est donc essentiel de disposer d’une stabilit´e suffisante de la ligne `a retard, c’est-`a-dire meilleure que le demi-cycle optique. Nous avons b´en´efici´e de l’exp´erience du travail de th`ese de Milutin Kovacev, qui est par- venu `a r´ealiser `a Saclay des mesures interf´erom´etriques `a la fr´equence harmonique grˆace au d´eveloppement d’une ligne `a retard extˆemement compacte et sous vide (Kovacev,

2003). Dans notre cas, la contrainte sur la stabilit´e est moindre et le dispositif est moins compact. Il est install´e dans une enceinte `a vide, que l’on peut pomper pour atteindre un vide primaire de l’ordre de 10−1 mbar. Nous arrˆetons alors le pompage afin d’´eviter les perturbations dues aux vibrations des pompes. Au cours des mesures, nous avons

conclu que ce vide primaire n’´etait pas n´ecessaire pour observer des oscillations des sa- tellites, mais qu’il ´etait indispensable de fermer l’enceinte pour ´eviter les perturbations de la translation pi´ezo-´electrique par des ondes acoustiques. Lors des acquisitions, le d´elai de la ligne `a retard est ajust´e grossi`erement par une platine de translation Micro- controle, et est command´e finement par le transducteur pi´ezo-´electrique pilot´e par un PC. A chaque position du pi´ezo-´electrique, un oscilloscope moyenne `a 20 Hz les traces d´elivr´ees par les galettes de microcanaux, puis transmet la trace moyenne au PC.