3.1.2 HAMSTER . . . 37 3.2 Mesure de phase spectrale résolue spatialement : SEA-TADPOLE 38 3.3 Méthodes de caractérisation spatio-temporelles 2d. . . 40
Le problème de la caractérisation spatio-temporelle des faisceaux lasers ultra-intenses se pose en premier lieu comme le problème de la caractérisation temporelle : le but de la mesure est de reconstruire le champ électrique dans le domaine (x, y, t), néanmoins aucun détecteur n’est assez rapide pour obtenir la résolution temporelle nécessaire, de l’ordre de la femtoseconde.
La réponse à cette difficulté est la même que pour la caractérisation temporelle : on réalise d’abord une reconstruction dans le domaine (x, y, ω) pour ensuite reconstruire le champ dans le domaine (x, y, t) par une opération de transformée de Fourier inverse.
Cependant la caractérisation spatio-temporelle est plus qu’une caractérisation tempo- relle à laquelle on aurait simplement ajouté une résolution spatiale. Pour les mesures de caractérisation temporelles telles que les techniques FROG ou SPIDER, on ne s’intéresse pas aux deux premiers termes de la décomposition polynomiale de la phase spectrale : la CEP et le délai de groupe. Or on sait que ces termes de la phase spatio-spectrale peuvent varier en fonction de la position. Ainsi, si on réalisait une série de mesures temporelles à diverses positions transverses, il manquerait la donnée de la phase relative (CEP et délai) entre ces mesures pour qualifier la mesure de spatio-temporelle.
Dans la description des techniques de caractérisation spatio-temporelles qui va suivre, nous allons nous limiter à celles qui permettent une reconstruction en 3d. Plusieurs de ces techniques existaient avant le début de cette thèse. Les trois principales que nous pouvons citer sont STRIPED-FISH [35, 36], HAMSTER [37] et SEA-TADPOLE [14, 15, 16]. STRIPED-FISH et HAMSTER adoptent un point de vue similaire, il s’agit dans les deux cas de mesurer l’amplitude et la phase spatiale pour une série de longueurs d’onde.
Chapitre 3. Caractérisation spatio-temporelle
Une mesure temporelle en un point permet de déterminer la phase relative entre les mesures spatiales et ainsi aboutir à une reconstruction spatio-temporelle.
Pour SEA-TADPOLE, c’est le point de vue inverse qui est adopté : on mesure les déformations de la phase spectrale pour une série de positions spatiales relativement à un position de référence. La mesure temporelle du champ électrique au point de référence permet de reconstruire le champ électrique dans le domaine (x, y, ω).
3.1
Mesure de fronts d’onde résolus spectralement
3.1.1 STRIPED-FISH
STRIPED-FISH a été introduit par Gabolde et Trebino en 2006 [35, 36]. Le nom de cette technique est un acronyme qui signifie Spatially and Temporally Resolved Intensity and Phase Evaluation Device : Full Information from a Single Hologram. La technique permet de reconstruire le champ électrique d’un faisceau laser dans le domaine (x, y, ω) en monocoup.
STRIPED-FISH est basé sur l’analyse résolue en fréquence de l’interférence entre un faisceau de référence dépourvu de couplages spatio-temporels (ou bien connu totalement) et le faisceau à mesurer. Le faisceau de référence peut par exemple être créé à l’aide d’un filtrage spatial du faisceau à mesurer. Les deux faisceaux sont ensuite recombinés avec un angle ce qui entraine la formation de franges spatiales. Si le faisceau à analyser était monochromatique, l’analyse de franges d’interférence permettrait de reconstruire la phase spatiale. Les faisceaux lasers ultracourts étant polychromatiques, cette analyse directe de l’interférogramme ne serait pas valide. Pour se ramener au cas monochromatique, avec la technique STRIPED-FISH, on enregistre cet interférogramme en une seule fois à plusieurs longueurs d’onde sur la même caméra. Pour ce faire, on utilise un réseau de diffraction 2d et un filtre passe-bande interférentiel.
Le traitement des données, résumé sur la figure 16 permet une reconstruction de l’am- plitude et de la phase spatiale pour chaque composante spectrale du faisceau. Si on ajoute à cette information une mesure de la phase spectrale en un point, on obtient une mesure 3d du champ électrique dans le domaine (x, y, ω).
Cette technique est la seule à notre connaissance permettant une reconstruction 3d monocoup. Cependant elle requiert une calibration et est relativement complexe a mettre en oeuvre. On peut aussi ajouter comme défaut la faible résolution spectrale : sur l’exemple de la figure 16 on ne reconstruit que 9 longueurs d’onde. De plus les motifs aux différentes longueurs d’onde sont mesurés à l’aide de la même caméra. De nombreux pixels de la caméra sont inutilisés pour pouvoir séparer les répliques. Cela signifie que la résolution spatiale ne peut pas être optimale non plus .
Chapitre 3. Caractérisation spatio-temporelle
Figure 16 – Schéma du traitement des données STRIPED-FISH, issu de [35]
3.1.2 HAMSTER
HAMSTER est une technique qui a été introduite par Cousin et. al. en 2012 [37]. Son nom est un acronyme qui signifie Hartmann-Shack Assisted, Multidimensional, Shaper- based Technique for Electric-field Reconstruction. Le principe de cette technique est de mesurer la phase et l’amplitude spatiale du faisceau à diverses longueurs d’onde à l’aide d’un analyseur de front d’onde de Shack-Hartmann. Pour cela on met en place le dispositif détaillé sur la figure 17.
Le modulateur acousto-optique joue deux rôles distincts : Dans un premier temps il sert de filtre passe bande dont on fait varier la longueur d’onde centrale. Cette fonction permet de mesurer l’amplitude et la phase spatiales pour chaque longueur d’onde du spectre à l’aide du senseur de front d’onde de Shack-Hartman. Dans un deuxième temps il sert à créer deux répliques de l’impulsion décalées d’un délai τ . Le balayage de τ permet d’effectuer une mesure FROG à l’aide du cristal non-linéaire (χ(2)) et du spectromètre.
Le diamètre du faisceau à mesurer ne doit pas être plus grand que celui du modulateur acousto-optique (de l’ordre du millimètre), ce qui exclu son utilisation pour la mesure de lasers ultra-intenses.
Chapitre 3. Caractérisation spatio-temporelle
Figure 17 – Schéma de principe de HAMSTER issu de [37]. AOPDF : modulateur acousto- optique. En aval de l’iris I2 : mesure temporelle par FROG