Influence du choix de l’angle d’incidence sur la tol´erance d’alignement

d’alignement

Le choix de l’angle d’incidence du compresseur d’impulsions influe directement sur la tol´erance de l’alignement. Calculons la tol´erance d’alignement de l’angle d’incidence pour diff´erentes configurations de compresseur dont l’angle d’incidence serait compris entre 60◦

et 78◦

(Figure 12.7). Il vient imm´ediatement que l’alignement de l’angle d’incidence pour des faibles angles est beaucoup plus sensible que pour de forts angles d’incidence. En effet, la comparaison du compresseur de Pico2000 dont l’angle d’incidence est de 60◦

avec le compresseur du 100 TW dont l’angle d’incidence est de 72.5◦

nous montre un facteur ∼20 de diff´erence dans la tol´erance d’alignement. L’alignement du compresseur sera d’autant plus ais´e que l’angle d’incidence est ´elev´e. En revanche, une configuration de compresseur avec un angle d’incidence ´elev´e oblige `a avoir une distance entre les r´eseaux sup´erieure `a une configuration faible angle d’incidence pour une mˆeme compression, du fait de la loi des r´eseaux. Un compromis doit donc ˆetre trouv´e entre la facilit´e d’alignement (toute

Fig. 12.6 – (a) Compensation d’une variation de la distance entre les r´eseaux par une variation de l’angle d’incidence pour le compresseur Pico2000 afin d’atteindre l’accord de phase spectrale quadratique. Seul un couple de param`etres L, α permet d’annuler ´egale- ment la phase spectrale cubique (L=1800 mm, α=60◦

ici). (b) Profil temporel calcul´e dans le cas o`u la phase quadratique est compens´ee mais pas la phase cubique pour L=1824.07 mm, α=60.05◦

(haut) et L=1775.58 mm, α=59.95◦

(bas). Le constraste temporel est dans ces deux cas limit´e par la phase cubique introduite.

relative vue la taille des r´eseaux) et la compacit´e.

12.4

Premiers r´esultats de compression d’impulsions

dans le r´egime petawatt

Les r´eseaux de diffraction `a multicouches di´electriques ´etudi´es dans la premi`ere partie de cette th`ese ont ´et´e install´es dans le compresseur d’impulsions. La compression d’im- pulsions dans le r´egime petawatt a ´et´e r´ealis´ee et a donn´e lieu `a des premiers r´esultats. L’alignement et l’optimisation de la compression ont ´et´e r´ealis´es avec le faisceau du pilote (mJ) `a la cadence de r´ep´etition de 1 Hz. La caract´erisation temporelle des impulsions `a la sortie du compresseur est r´ealis´ee `a l’aide du cross-corr´elateur 3ω. La mesure sur une fenˆetre temporelle de 60 ps (entre -30 ps et 30 ps) donne une estimation de la dur´ee d’im- pulsion `a ∼1 ps (Figure 12.8a). En ´echelle logarithmique, la mesure de cross-corr´elation 3ω permet d’obtenir la valeur du contraste temporel qui est de 10−₅

Fig. _{12.7 – Tol´erance d’alignement de l’angle d’incidence du compresseur en fonction} du choix de l’angle d’incidence de 60◦

`a 78◦

. La tol´erance d’alignement du compresseur Pico2000 dont l’angle d’incidence est de 60◦

est compar´ee avec la tol´erance du compresseur du 100 TW dont l’angle d’incidence est 72.5◦

. Un facteur ∼20 existe entre ces deux configurations.

12.8b). Le spectre en sortie de chaˆıne laser a une largeur `a mi-hauteur de 5 nm centr´e `a 1054 nm. L’impulsion n’est clairement pas limit´ee par la transform´ee de Fourier. Apr`es la phase d’alignement et d’optimisation, des tirs laser de forte ´energie ont ´et´e r´ealis´es. Une ´energie maximum de 150 J en sortie de compresseur a ´et´e mesur´ee, soit une puissance crˆete de 0.15 PW.

Analyse des r´esultats de compression

Tout d’abord, la dur´ee d’impulsion obtenue apr`es recompression est sup´erieure d’un facteur 2 par rapport `a la limite de Fourier. La cause de cet ´elargissement temporel est tr`es certainement due au d´esaccord de phase spectrale dans la chaˆıne laser CPA. Le d´esa- lignement du compresseur d’impulsions par rapport `a l’´etireur entraˆıne un r´esidu de phase spectrale qui, d’une part, augmente la dur´ee d’impulsion (phase quadratique essentielle- ment) et, d’autre part, d´egrade le contraste temporel court (<5 ps) (phase cubique). Ceci se v´erifie sur la figure 12.8b o`u le pic principal de l’impulsion est dissym´etrique et pr´esente de nombreux rebonds. Pour v´erifier cette hypoth`ese, une mesure de la phase spectrale en sortie de compresseur pourrait ˆetre r´ealis´ee mais n’a pas encore ´et´e entreprise. De plus, le contraste temporel long (> 5 ps) est limit´e `a 10−5

, ce qui peut ˆetre le r´esultat des fortes modulations du spectre ainsi que d’un haut niveau d’ASE.

Ces premiers r´esultats sont encourageants mais n´ecessitent encore beaucoup d’am´elio- rations. L’optimisation de la dur´ee d’impulsion pourra ˆetre r´ealis´ee en mesurant et en contrˆolant la phase spectrale en sortie de la chaˆıne laser. Le contraste temporel pourra ˆetre am´elior´e grˆace `a la technique de filtrage non-lin´eaire d’impulsions par g´en´eration d’onde de polarisation crois´ee (XPW).

Fig. 12.8 – Mesure de cross-corr´elation 3ω en ´echelle lin´eaire (a) et en ´echelle logarith- mique (b) en sortie du compresseur d’impulsions `a r´eseaux MLD. La largeur `a mi-hauteur est difficilement estim´ee `a 1 ps par un fit gaussien du fait des fortes modulations (50%). L’´energie de la mesure est de 500 µJ `a la cadence de r´ep´etition de 1 Hz.

Ce dernier chapitre d´edi´e au compresseur d’impulsions de Pico2000 a permis de com- prendre les choix qui ont ´et´e fait pour le dimensionnement, au vue des diff´erentes contraintes impos´ees. Une solution d’architecture compacte pour le compresseur a ´et´e trouv´ee en pre- nant une densit´e de traits de r´eseaux de 1740 mm−₁

, un angle d’incidence sur le premier r´eseau de 60◦

et une distance de propagation entre les r´eseaux de 1.8 m. Le compresseur tient ainsi dans une enceinte sous vide de diam`etre 3.2 m.

Les ´etudes sur la coupure spectrale ainsi que les tol´erances d’alignement du compres- seur m’ont permis de pr´edire les performances finales du compresseur et de souligner l’importance de l’architecture de celui-ci. Les premiers r´esultats de compression en r´e- gime petawatt sont encourageants mais nous montre qu’il reste encore des am´eliorations `a l’ensemble de la chaˆıne laser pour pouvoir g´en´erer des impulsions de 1 PW avec des caract´eristiques spatiales et temporelles optimales.

Conclusion de la troisi`eme partie

La troisi`eme partie de ce manuscrit de th`ese a ´et´e consacr´ee au syst`eme laser petawatt Pico2000. Le laser Pico2000 est d´evelopp´e dans le cadre de la facilit´e LULI2000 qui combi- nera un grands nombres de faisceaux laser dont les ´energies pourront varier de la centaine de joules au kilojoule avec des dur´ees d’impulsions de 500 fs `a 5 ns.

Le pilote laser de Pico2000 a tout d’abord ´et´e ´etudi´e `a travers l’´etude des diff´erents sys- t`eme qui le compose (oscillateur, ´etireur, pr´e-amplificateur et compresseur). Les diff´erents choix technologiques novateurs ont ´et´e analys´es. Les impulsions g´en´er´ees par le pilote ont ´et´e caract´eris´ees spatialement et temporellement. Une ´energie d’environ 20 mJ avec un spectre de largeur `a mi-hauteur de 4.5 nm a pu ˆetre obtenu avec le pilote. L’amplification de puissance de ces impulsions dans des amplificateurs Nd :verre pomp´es par flash a en- suite ´et´e d´emontr´ee avec l’obtention d’une ´energie de 560 J et d’un spectre de 3.9 nm. Les deux chaˆınes d’amplification de puissance (Nord et Sud) ont ´et´e valid´ees pour l’amplifica- tion d’impulsions `a spectre large. Enfin, le dimensionnement du compresseur d’impulsions compact de Pico2000 a ´et´e pr´esent´e. Les ´etudes th´eoriques sur la coupure spectrale et les distorsions de phase spectrale induites par le d´esalignement des r´eseaux m’ont permis de pr´edire les performances et les limitations de la compression des impulsions du laser Pico2000.

Conclusion g´en´erale et perspectives

Le travail de recherche effectu´e au cours de ces trois ann´ees de th`ese a eu pour ob- jectif l’´etude des r´eseaux de diffraction `a multicouches di´electriques pour la compression d’impulsions laser Petawatt par mosa¨ıques de r´eseaux. L’´etude des r´eseaux de diffraction `a multicouches di´electriques et de la compression d’impulsions par mosa¨ıques de r´eseaux s’inscrit dans le cadre du projet du laser petawatt Pico2000 au LULI.

Parmi les diff´erentes techniques de compression d’impulsions, les r´eseaux de diffrac- tion pr´esentent le plus grand nombre d’avantages pour des faisceaux laser ´energ´etiques (kilojoule) de grandes dimensions, sub-picosecondes, `a 1 µm et avec un facteur d’´etire- ment de 105_{. Parmi les technologies de r´eseaux de diffraction, la technologie des r´eseaux}

holographiques trait´es Or est utilis´ee dans presque tous les syst`emes laser de puissance multi-terawatt dans le proche infra-rouge. Ces r´eseaux pr´esentent une efficacit´e de diffrac- tion de ∼92 % et un seuil de dommage de ∼0.25 J/cm2 _{en r´egime femtoseconde. La tenue}

au flux laser et la dimension des r´eseaux limitent l’´energie d´elivrable par les lasers. Afin d’am´eliorer les performances en tenue au flux laser et en efficacit´e de diffraction, une nouvelle g´en´eration de r´eseaux de diffraction `a multicouches di´electriques (MLD) est apparue. Les potentialit´es ´enormes de ces r´eseaux ont permis d’envisager une efficacit´e de diffraction proche de 100% et une tenue au flux proche des mat´eriaux di´electriques mas- sifs. L’´etude des mat´eriaux di´electriques possibles (oxydes min´eraux et fluorides) pour la r´ealisation de r´eseaux de diffraction a fait ressortir une structure particuli`erement adapt´ee aux impulsions `a 1053 nm. Il s’agit du couple SiO2/HfO2. A partir de ces deux mat´eriaux

di´electriques d´epos´es sous forme de couches minces et dont l’empilement de 9 paires de couches donne une r´eflectivit´e proche de 1, une structure p´eriodique lamellaire est gra- v´ee sur la couche sup´erieure. Ce profil de trait est optimis´e, d’une part, pour maximiser l’efficacit´e de diffraction dans l’ordre -1 et, d’autre part, pour maximiser la tenue au flux laser, par diminution du renforcement du champ ´electrique dans le r´eseau.

Les r´eseaux MLD r´ealis´es exp´erimentalement r´epondent aux sp´ecifications du compres- seur du laser Pico2000. La densit´e de traits est de 1740 mm−₁

, l’angle d’incidence de 60◦

, la longueur d’onde centrale de 1053 nm et pour une polarisation incidente S. La caract´e- risation exp´erimentale compl`ete des r´eseaux MLD a donn´e des r´esultats interessants avec une efficacit´e de diffraction moyenne homog`ene de 94%, une qualit´e de surface d’onde de λ/3.5 (PV) et λ/19 (RMS) `a 1053 nm. La tenue au flux laser a ´et´e mesur´ee `a 400 fs et donne un seuil de dommage surfacique de ∼0.4 J/cm2_{. La tenue au flux des r´eseaux MLD}

est d´ependante de la dur´ee d’impulsion, c’est pourquoi des mesures entre 400 fs et 10 ps ont ´egalement ´et´e faˆıte et montrent que le seuil de dommage est am´elior´e d’un facteur 3 `a 10 ps par rapport `a 400 fs. Les r´eseaux MLD sont donc tr`es bien adapt´es pour des dur´ees picosecondes avec une am´elioration du seuil de dommage d’un facteur 6 `a 10 ps par rapport aux r´eseaux Or alors qu’il n’est que de 2 `a 400 fs. Les perspectives concernant les r´eseaux de diffraction `a multicouches di´electriques sont tout d’abord l’augmentation de bande spectrale d’efficacit´e afin de pouvoir appliquer cette nouvelle technologie aux im- pulsions ultra-courtes `a 800 nm. La tenue au flux laser des r´eseaux MLD peut surement ˆetre encore am´elior´ee en optimisant les profils de traits et les proc´ed´es de fabrication et de nettoyage.

La course aux hautes ´energies et aux fortes puissance crˆete des lasers entraˆınent une demande de composants optiques, et en particulier des r´eseaux de diffraction, de plus en plus grands. Afin de simplifier les proc´ed´es de fabrication, la caract´erisation et la manipu- lation d’´el´ements optiques de tr`es grandes tailles, la segmentation en ´el´ements plus petits et leur mise en phase est une voie s´eduisante. En d´eveloppant des diagnostics d’aligne- ment de r´eseaux de diffraction segment´es et des syst`emes de nanopositionnement, il est possible de mettre en phase des r´eseaux avec des pr´ecisions nanom´etriques. En particulier, l’utilisation d’un syst`eme interf´erom´etrique `a deux ondes de type Fizeau en lumi`ere mo- nochromatique coupl´e avec une analyse en champ lointain m’a permis de mettre en phase deux r´eseaux de diffraction Or de dimension 120 × 140 mm2_{. La compression d’impulsions}

multi-terawatt par mosa¨ıques de r´eseaux `a 1 µm a ´et´e d´emontr´ee avec le syst`eme laser 100 TW du LULI. Des performances similaires `a un compresseur `a r´eseaux monolithiques, en terme de profil spatial, de spectre et de dur´ee d’impulsion, ont ´et´e obtenues. Le syst`eme mis au point pour la mise en phase de r´eseaux pr´esente une bonne stabilit´e dans le temps. Le concept de la mise en phase a, par cons´equent, ´et´e valid´e pour des impulsions de dur´ee 500 fs, `a 1 µm. Les perspectives qui s’ouvrent `a la mise en phase de r´eseaux sont celles des syst`emes multi-petawatt comme ELI o`u des impulsions sub-kilojoules devront ˆetre recomprim´ees `a une dur´ee de <20 fs. Les dimensions de faisceaux impliqu´es n´ecessiteront l’emploi de mosa¨ıques de r´eseaux. Les dispositifs diagnostiques devront avoir une r´esolu- tion temporelle femtoseconde et une r´esolution spatiale nanom´etrique.

Le laser petawatt Pico2000 est `a la pointe des technologies laser avec notamment l’utilisation du pompage optique par diodes laser, la mise en forme spatiale de faisceau par miroir de phase, la mise en forme spectrale par filtre bir´efringent et bien sˆur la compression d’impulsions par r´eseaux `a multicouches di´electriques. Le pilote du laser Pico2000 est, tout

d’abord, constitu´e d’un oscillateur laser et d’un ´etireur d’impulsion `a triplet de ¨Offner. Les impulsions d’´energie nanojoule et de dur´ee 100 fs sont ´etir´ees `a 10 ns. Les impulsions sont ensuite pr´e-amplifi´ees dans une cavit´e r´eg´en´erative Nd :verre pomp´ee par diodes. La mise en forme spatiale du faisceau est r´ealis´ee par un miroir de phase qui cr´ee un faisceau supergaussien d’ordre 10. En sortie du pilote laser, les impulsions ont une ´energie de 20 mJ (gain d’amplification de 108_{), `a la cadence de r´ep´etition de 1 Hz, avec un spectre}

mis en forme par un filtre spectral bir´efringent et de largeur `a mi-hauteur 4.5 nm centr´e `a 1054 nm. L’amplification de puissance dans des amplificateurs Nd :verre pomp´es par des lampes flash permet d’atteindre une ´energie de 560 J tout en conservant la qualit´e spatiale et spectrale de l’impulsion. Un spectre sym´etrique de largeur ∼4 nm `a mi-hauteur et de forme supergaussienne d’ordre 4 a ´et´e obtenu au cours des campagnes d’exp´eriences. La compression des impulsions amplifi´ees `a une dur´ee de 1 ps a permis de g´en´erer une puissance crˆete de 0.15 PW. En perspective, la compression d’impulsions pourra ˆetre am´elior´ee avec, par exemple, l’installation d’une boucle de mesure de la phase spectrale et de son contrˆole. L’augmentation de la taille du faisceau de 200 mm actuellement `a 300 mm avec l’utilisation de mosa¨ıques de r´eseaux permettra d’augmenter l’´energie en sortie de laser pour atteindre une puissance crˆete de 1 PW.