D ESCRIPTION DES SOURCES LASER UTILISEES

Produire une impulsion intense et ultracourte demande deux opérations : créer une impulsion courte et l’amplifier. L’amplification de telles impulsions a été rendue possible par la technique à dérive de fréquence (« Chirp Pulse Amplification », CPA [3.11, 3.12]) permettant d’amplifier les impulsions sans endommager les composants optiques du système. La technique d’amplification consiste à étirer temporellement l’impulsion en étalant ses différentes fréquences dans le temps, à l’amplifier, et à la recomprimer temporellement pour fournir une puissance maximale. Au cours de ma thèse, j’ai utilisé deux sources laser femtosecondes différentes par leur puissance délivrée. La première source, dite de la salle verte, est un laser de puissance de l’ordre de 0.2 TW permettant de générer 1 à 3 filaments pour des études préliminaires en laboratoire. La seconde source est un laser mobile, le Teramobile, permettant des campagnes d’expériences en plein air et délivrant une puissance de l’ordre de quelques TW.

3.2.1 Le laser dit de la salle verte

Le système laser utilisé dans les expériences de laboratoire consiste en un oscillateur titane-saphir pompé par un laser argon de 8 W. Cet oscillateur produit un train d’impulsions de 90 fs et une énergie de 3 nJ par impulsion à une cadence de 100 MHz. Les impulsions courtes sont obtenues par le principe du « Kerr-lens-mode locking ». Si le laser fonctionne en mode pulsé, les parties intenses de l’onde dans la cavité sont focalisées par l’effet Kerr dans le milieu amplificateur et peuvent passer dans un diaphragme introduit sur le trajet du faisceau. Par contre en mode continu, l’auto-focalisation ne se produit pas et le diaphragme introduit des pertes tellement importantes que le régime laser ne peut s’établir.

En conséquence de cette sélectivité, seule une impulsion courte et intense peut se développer dans la cavité laser. Une fois générées, ces impulsions de 90 fs sont étirées dans le temps jusqu’à environ 400 ps. Une de ces impulsions est sélectionnée à une cadence de 10 Hz par une cellule de Pockels, puis injectée et amplifiée à 1.5 mJ dans un premier étage d’amplification à 8 passages pompé par un laser Nd : Yag doublé et, dans un second étage d’amplification à 4 passages pour finalement être amplifié à 100 mJ. L’impulsion est ensuite recomprimée à 130 fs à l’aide d’un compresseur constitué de deux réseaux.

3.2 DESCRIPTION DES SOURCES LASER UTILISEES

Pour ce système laser, l’impulsion mesurée avec un auto-corrélateur à la sortie du compresseur réglé pour une compression maximale, atteint 130 fs et 30 mJ à 800 nm, ce qui correspond à une puissance crête de 0.2 TW. Vu le facteur d’amplification, la reproductibilité d’un tir à l’autre est un problème difficile à résoudre, car dans un système à très fort gain, les fluctuations d’intensité dans le faisceau sont renforcées par l’amplification. Celles-ci sont néanmoins limitées par la saturation du gain. Les fluctuations tir-à-tir de l’impulsion sont mesurables en terme d’énergie et de distribution spatiale. La fluctuation en énergie de l’impulsion initiale est de l’ordre de 10 %. Les impulsions ne diffèrent pas seulement par leur énergie, mais aussi par leur longueur d’onde centrale et leur profil spatial. La variation de la fréquence centrale moyenne est typiquement de 0.5 à 2 nm. Enfin, le profil spatial initial peut être assimilé à une gaussienne de rayon w0 = 10.4 mm.

3.2.2 Le système Teramobile

La seconde source laser utilisée est le Teramobile qui est le premier système mobile capable de générer des impulsions de l’ordre de 100 fs avec une puissance de 3 térawatts. Ce dispositif mobile unique a imposé une conception particulièrement compacte pour le laser développé en coopération avec Thalès (autrefois division de BMI, Thomson CSF, Orsay, France). De telles spécificités ont déterminé la conception d'un laboratoire autonome, incluant le système optique d'émission et de réception du faisceau ainsi que des systèmes de diagnostic et de détection. L’ensemble du système a été conçu comme un outil souple aussi bien pour la recherche fondamentale que pour la recherche appliquée atmosphérique. Ses caractéristiques principales sont récapitulées dans le tableau 3.1. Le système se compose d'un oscillateur (Ti:Saphir, Compact Pro, Femtosource, Vienne, Autriche) et d'une chaîne d'amplification Ti:Saphir pompée par Nd:YAG doublé comprenant un amplificateur régénératif et deux amplificateurs multi-passage. En pratique, le laser est placé sur une table en forme de T qui optimise sa compacité et son accessibilité. Les diagnostics usuels et les dispositifs de commande sont logés au-dessus de la table. Des espaces ont été laissés libres pour de futurs diagnostics complémentaires, à installer définitivement ou pour une expérience spécifique. Trois paramètres du laser peuvent être variés à l'émission : la dérive en fréquences (ou chirp), la focalisation et le diamètre de faisceau. Le contrôle du chirp prend toute son importance sur de longues distances. Dans ce but, l'un des réseaux du compresseur est mobile et motorisé sur une longue course, permettant de précompenser l’élargissement temporel de l’impulsion lors de sa propagation dans l'air. Par ailleurs, le faisceau est émis à travers un télescope dont la

focale est variable continûment de l’infini à 10 m. Ce télescope est entièrement réflectif pour préserver les caractéristiques spectrales et temporelles des impulsions. Ce télescope peut aussi être court-circuité pour émettre le faisceau parallèle issu du laser avec un profil super gaussien et un diamètre limité à 34 mm. Le laser peut être émis soit verticalement soit horizontalement, avec une orientation possible de ± 10° de son axe.

Tableau 3.1 : Performances du laser Teramobile.

Longueur d'onde 800 nm

Largeur de bande 16 nm FWHM

Énergie par impulsion _{200-300 mJ}

Durée d'impulsion 100 fs

Puissance crête 2-3 TW

Fréquence 10 Hz

Diamètre du faisceau 34 mm FWHM

Réglage du chirp 100 fs à 9.6 ps, chirp positif ou négatif

Stabilité de l'énergie 2,5 % RMS sur 400 tirs

Dimensions 3,5 x 2,2 m

La calibration du compresseur a été effectuée à l’aide d’un autocorrélateur pas à pas. La position d = 0 correspond à la durée minimum de l’impulsion τ_p = 100 fs sans chirp. Lorsque l’on augmente la distance entre les deux réseaux du compresseur, la durée de l’impulsion est augmentée en introduisant un chirp négatif et par la même occasion l’intensité laser est diminuée. La calibration du compresseur mesurée à partir de ces traces d’autocorrélation en fonction de la distance entre les réseaux du compresseur nous donne la valeur 239 fs/mm (voir figure 3.1). Enfin, la configuration du compresseur nous permet d’avoir des impulsions dont la durée est comprise entre 0.1 et 9.6 ps.

3.2 DESCRIPTION DES SOURCES LASER UTILISEES