1.3 Excitation et ionisation
1.3.1 Etude dynamique Dispositif femtoseconde
Technique « pompe - sonde »
La technique « pompe - sonde » consiste à utiliser deux impulsions laser femtoseconde décalées temporellement l’une par rapport à l’autre. La résolution temporelle est donnée
par la corrélation croisée entre les impulsions utilisées (quelque 10aine de femtosecondes).
temps zéro de l’expérience. La deuxième sonde le système.
Afin de contrôler le décalage temporel d’une impulsion par rapport à l’autre, il suffit de la décaler spatialement, c’est-à-dire modifier la longueur de son parcours optique. Pour ce faire, nous utilisons une platine de translation placée sur le parcours optique de l’impulsion sonde afin de l’allonger. De ce fait, l’impulsion sonde mettra un temps variable pour arriver dans la zone d’interaction par rapport à l’impulsion pompe. Cette platine permet de positionner des miroirs pour allonger le chemin optique avec une précision de 0,1 µm, soit une précision de 0,667 fs sur le délai entre les deux impulsions laser.
Ces deux impulsions ont des longueurs d’onde différentes et sont choisies de telle sorte que la première, de plus haute énergie, puisse exciter les molécules et la deuxième, de plus basse énergie, ionise les molécules précédemment excitées. L’absorption de ces deux impulsions peut se faire, ou non, via des processus multiphotoniques. Afin d’optimiser le contraste de l’expérience il faut limiter l’ionisation du système par une seule impulsion pompe ou sonde.
Pour cette technique et dans nos conditions expérimentales, nous avons choisi une impulsion pompe à 265 nm et une impulsion sonde à 795 nm. Les valeurs exactes de ces longueurs d’onde peuvent varier légèrement d’un jour à l’autre (± 2 nm). C’est pourquoi nous les mesurons et enregistrons leur spectre pour chacune des expériences. Selon les systèmes étudiés, le nombre de photons mis en jeu dans l’absorption diffère. Par exemple, dans le cas des molécules photochromes, un seul photon pompe est nécessaire à l’excitation des molécules et trois ou quatre photons sonde pour ioniser la molécule excitée selon son état de relaxation. Dans le cas des agrégats d’argon, trois photons pompe sont nécessaires pour atteindre les premiers états excités de l’argon et deux ou trois photons sonde sont nécessaire pour l’ioniser à partir de l’état excité. La densité de photons appliquée pour chaque laser est ajustée d’une part par une lame demi-onde placée en amont du doublage et mixage afin d’équilibrer les deux voies, et d’autre part, par la focalisation appliquée à chaque laser.
Le signal enregistré résultant de l’absorption de ces deux impulsions est exprimé en fonction du délai entre ces deux impulsions. Ceci nous permet d’avoir accès à l’avancement du processus de relaxation que l’on suit.
Génération des impulsions femtosecondes
Les impulsions laser femtosecondes sont générées grâce à la source LUCA1 par le
groupe du SLIC2 au CEA3. Cette source est composée d’un laser à argon ionisé qui
pompe un oscillateur Ti :Saphir produisant ainsi un faisceau centré à 795 ± 5 nm et pulsé à 76 MHz. Ce faisceau pénètre dans une chaîne composée d’un ré-échantillonneur à 20 Hz, d’un étireur, d’un amplificateur pompé par un laser NdYAG pulsé à 20 Hz et d’un compresseur qui délivre des impulsions d’une largeur à mi-hauteur d’environ 50 fs et d’une énergie d’environ 1,5 mJ. Le profil spectral s’étend sur environ 20 nm. Les premières harmoniques à 400, 265 et 200 nm, avec des énergies respectives d’environ 300 µJ, 200 µJ et 6 µJ, sont obtenues grâce à des cristaux KDP et BBO (type I) par doublement et mélange de fréquences. Sur la Figure 1.6 est représenté le chemin optique des impulsions laser à 800 et 265 nm jusqu’à l’entrée des faisceaux lasers dans la chambre d’analyse.
La plupart du temps lors des expériences pompe-sonde, nous travaillons avec des faisceaux laser défocalisés au niveau de la zone d’interaction, de manière à réduire certains processus multiphotoniques.
Aspect technique
Nous travaillons avec deux impulsions lasers, il est donc nécessaire d’assurer le re- couvrement spatial entre elles ainsi que le recouvrement avec le jet moléculaire. Pour ce faire, un miroir amovible est placé juste avant d’entrer dans la chambre d’analyse, il permet d’imager la zone d’interaction à l’extérieur de l’expérience et donc de réaliser le recouvrement spatial entre les deux impulsions laser, comme le montre la Figure 1.7.
Le faisceau et les lasers sont pulsés, il est aussi nécessaire d’assurer un recouvrement temporel entre tous. Il faut dans un premier temps optimiser le temps d’ouverture de la vanne qui est de l’ordre de plusieurs centaines de µs, ce premier réglage n’est pas le plus compliqué. Ensuite il faut assurer le recouvrement temporel entre les deux lasers, ce réglage est beaucoup plus complexe : il faut que les chemins optiques empruntés par les deux impulsions soient égaux avec une résolution de l’ordre du µm. Lorsque le retard
1. Laser Ultra Court Accordable
2. Saclay Laser-matter Interaction Center
Figure 1.6 – Parcours optiques des impulsions laser femtosecondes, en rouge celui du 800 nm et en violet celui du 266 nm.
Figure 1.7 – Recouvrement spatial des impulsions lasers femtosecondes.
appliqué permet d’égaliser les chemins optiques des deux impulsions, c’est-à-dire que les deux impulsions arrivent en même temps dans la zone d’interaction, cela correspond donc au temps zéro de l’expérience. Trouver ce réglage directement est très aléatoire. Il est bien plus commode d’utiliser un signal pompe-sonde réel qui indique que la sonde arrive bien après la pompe. C’est le cas si la pompe excite un état stable qu’il suffit d’ioniser une
fois formé. Pour ce faire nous utilisons des molécules, comme TDMAE4 ou DABCO5, qui
présentent une telle évolution en marche d’escalier.