Fonctionnement de la ligne de mesure

Dans la partie pr´ec´edente (2.2) nous avons mentionn´e l’existence d’une impulsion sonde ainsi que d’une impulsion de r´ef´erence. Nous allons voir ici une mani`ere astu- cieuse d’obtenir l’impulsion de r´ef´erence grˆace `a la r´eplication de l’impulsion sonde. Dans ce montage, nous nous assurons que la tˆache focale de la pompe est toujours plus petite que la tˆache focale de la sonde. Ainsi, seule la partie centrale du faisceau sonde subit le d´ephasage provoqu´e par le passage de l’impulsion pompe dans l’´echantillon.

Laser Ti:Saphir LUCA/IRAMIS, 20Hz, 800nm, 50mJ, 60fs Echantillon Interféromètre de Michelson Lame semi- réfléchissante t Bloqueur de faisceau Spectromètre Compresseur Ligne à retard Impulsion Pompe Impulsion Sonde Compresseur Diode La ser 400 nm CCD Polariseurs Lames Shutter CCD

Figure 2.6 – Montage exp´erimental d’interf´erom´etrie fr´equentielle r´esolue en temps.

L’id´ee est donc de faire interf´erer les bords d’une des r´epliques du faisceau sonde (il s’agira alors de la r´ef´erence) avec le centre de l’autre r´eplique (qui sera alors la v´eri- table sonde). L’interf´erom`etre de Michelson pr´esent dans le montage a de cette fa¸con un objectif double : cr´eer une r´eplique de l’impulsion incidente qui soit d´ecal´ee temporel- lement et spatialement. Pour ce faire, le miroir mobile de l’interf´erom`etre est translat´e par rapport `a la teinte plate puis inclin´e verticalement. En entr´ee du spectrom`etre, nous nous retrouvons ainsi dans la situation repr´esent´ee en figure 2.7.

A l’int´erieur du spectrom`etre les impulsions sont ´etir´ees, ce qui rend possible leur superposition et donc l’obtention d’une figure d’interf´erence. Cette figure d’interf´erence est enregistr´ee par la cam´era CCD `a la sortie du monochromateur. Un exemple d’une telle figure est pr´esent´e en figure 2.8 en l’absence et en pr´esence de la pompe. Confor- m´ement `a ce qui a ´et´e dit dans la partie pr´ec´edente, on voit bien ici que le passage de la pompe induit un d´eplacement des franges (i.e. un d´ephasage) ainsi qu’une baisse de contraste (due au facteur de transmission non-unitaire). Les observables physiques d’int´erˆet (∆ϕ et T ) sont ensuite extraites pour chaque valeur de r la coordonn´ee trans- verse `a la direction de propagation du faisceau, en suivant la proc´edure d´ecrite dans la section 2.2.5. Notons qu’ici, nous ne mesurons pas `a proprement parl´e le facteur de transmission de l’´echantillon mais bien le rapport entre les facteurs de transmission du solide excit´e et au repos. Des mesures exp´erimentales typiques sont pr´esent´ees en figure 2.9. Pour obtenir les mesures de d´ephasage de la figure 2.9 nous avons dˆu sous- traire le d´ephasage obtenu en l’absence de pompe. Cette soustraction a pour objectif

Figure 2.7 – Illustration du fonctionnement de la ligne de mesure.

r

r

a

b

Figure 2.8 – Intensit´e re¸cue par la CCD en fonction de r la coordonn´ee transverse `a la direction de propagation du faisceau et de λ la longueur d’onde a. en l’absence de la pompe et b. en pr´esence de la pompe.

la r´eduction d’un bruit de phase constant imputable aux imperfections des miroirs du Michelson. Le choix de l’interf´erom`etre de Michelson a ´et´e en partie motiv´e par la r´eduction de ce bruit. En effet, avec un montage interf´erom´etrique diff´erent (un Mach- Zehnder par exemple), il aurait fallu composer avec un bruit dˆu aux inhomog´en´eit´es de surface de l’´echantillon. Ce bruit est ici limit´e car les impulsions sonde et r´ef´erence passent par le mˆeme chemin optique. Remarquons que la ligne de base du d´ephasage n’est pas situ´ee autour de 0rad ce qui devrait ˆetre le cas d’un point de vue th´eorique. La ligne de base du signal prend en r´ealit´e une valeur al´eatoire `a chaque nouveau tir pour une raison qui demeure inconnue. Lors du d´epouillement, il faut donc soustraire cette ligne de base. Ajoutons pour finir que ce d´ephasage al´eatoire s’applique `a tous les points et n’affecte donc pas la mesure.

Les valeurs obtenues nous renseignent sur les variations de l’indice de r´efraction de l’´echantillon `a un instant donn´e, ou plutˆot `a un retard (ou une avance) donn´e par rapport au passage de la pompe. On d´efinira ainsi le d´ephasage par :

∆ϕ(~r, t) = 2π λs

Z

0 50 100 150 200 250 300 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 50 100 150 200 250 300 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 ( r a d ) T r ( m)

Figure 2.9 – Signaux typiques de d´ephasage et de facteur de transmission subis par l’impul- sion sonde en fonction de la coordonn´ee transverse `a la direction de propagation du faisceau.

o`u ~r est la coordonn´ee radiale pour le faisceau sonde, λs sa longueur d’onde centrale,

L le chemin suivi par la sonde et s l’abscisse curviligne le long de ce chemin.

Il est possible de modifier ce retard `a l’aide de la ligne `a retard pr´esente sur le chemin de la sonde. Nous pouvons alors prendre la mˆeme mesure que pr´ec´edemment pour plusieurs valeurs du retard pompe-sonde et ainsi effectuer un balayage tempo- rel par rapport au passage de la pompe. De cette fa¸con nous pouvons remonter aux modifications de l’indice de r´efraction en fonction du temps. En pratique, nous nous in- t´eresserons uniquement `a la valeur maximum (en valeur absolue) prise par le d´ephasage et `a la valeur minimale prise par le facteur de transmission `a un retard pompe-sonde donn´e. Ceci revient `a dire que nous nous int´eressons aux modifications de l’indice de r´efraction subies par le solide dans sa zone la plus excit´ee, c’est `a dire l`a o`u l’intensit´e de la pompe est la plus importante. Ce faisant, nous pouvons tracer l’´evolution de ∆ϕmax

et Tmin en fonction du retard pompe-sonde. Un exemple de telles mesures est donn´e

en figure 2.10. Nous nous attacherons `a donner une explication physique `a ces mesures et en particulier `a l’´evolution des deux observables avec le retard pompe-sonde dans la section 2.4 consacr´e aux r´esultats exp´erimentaux. Pour l’instant, nous allons quantifier les incertitudes li´ees `a ce montage exp´erimental, pr´eciser la r´esolution temporelle que nous pouvons atteindre et discuter des limitations du montage. En d’autres termes, il s’agira dans ce qui suit imm´ediatement de d´efinir ce qu’il est possible et ce qu’il n’est pas possible de mesurer en l’´etat actuel des choses.

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 -4 -3 -2 -1 0 1 2 max T min m a x ( r a d ) Retard Pompe-Sonde (fs) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 T m i n

Figure 2.10 – Exemple de signaux de d´ephasage et de facteur de transmission subis par l’impulsion sonde en fonction du retard pompe-sonde. Ici, une pompe `a 800nm de 100f s de dur´ee `a une exposition ´energ´etique de 4, 57J/cm2 ´eclaire un ´echantillon de α − SiO2 avec

une ouverture num´erique de 0,02. Notons que nous d´efinissons l’exposition ´energ´etique par F = 2E/πw2₀, o`u E est l’´energie de l’impulsion et w0 son waist.