Mise en oeuvre exp´ erimentale

5.1.2.1 Montage exp´erimental

Le montage exp´erimental est pr´esent´e sur la figure 5.4.

5.1. R´eseau transitoire d’excitation Impulsion pompe Impulsions lasers 800nm, 50Hz, 40 fs, 5mJ Impulsion de génération Miroir de focalisation Ligne à retard Lame demi-onde Galettes de microcanaux + caméra CCD Cristal BBO Séparatrice 50/50 Δt Caméra (image le foyer) Jet de gaz Réseau XUV Lame de prélèvement

Figure 5.4 – Montage exp´erimental utilis´e pour la mesure de photoexcitation de NO2 par g´en´eration

d’harmoniques d’ordre ´elev´e.

des impulsions de 40 fs et environ 5 mJ, centr´ees autour de 800 nm et avec une fr´equence de r´ep´etition de 50 Hz.

Les impulsions sont s´epar´ees en deux bras : un bras de pompe, initiant la photodyna- mique dans NO2, et un bras qui va sonder cette dynamique en g´en´erant des harmoniques

d’ordre ´elev´e.

Les faisceaux pompes sont obtenus `a partir du doublage en fr´equence des impulsions fondamentales. Ce doublage est r´ealis´e grˆace `a un cristal de BBO (type I) de 200 µm, permettant d’obtenir environ 300µJ de bleu (400 nm) `a partir de 3 mJ d’infrarouge. La longueur d’onde centrale du laser infrarouge ´etant de 805 nm, le maximum de conversion est obtenu autour de 402.5 nm. Cependant, en tournant les axes du cristal, on peut l´eg`erement modifier les conditions d’accord de phase et ainsi d´ecaler le spectre du bleu de quelques nanom`etres (l’´energie par impulsion en sortie de cristal ´etant alors plus faible).

Un miroir dichro¨ıque (non repr´esent´e sur la figure 5.4) permet de s´eparer le r´esidu d’infrarouge non converti du faisceau bleu en sortie de cristal. L’impulsion `a 400 nm est ensuite s´epar´ee en deux impulsions qui empruntent les bras d’un interf´erom`etre de type Michelson. En sortie de l’interf´erom`etre, les deux impulsions se propagent parall`element, en ´etant d´ecal´ees verticalement. Cet ´ecartement peut ˆetre r´egl´e, en modifiant l’alignement de l’interf´erom`etre, entre 2 et 3 cm.

Un jeu de miroirs permet de recombiner les deux impulsions pompes (`a 400 nm) et l’impulsion de g´en´eration (`a 800 nm) qui se propagent ensuite parall`eles entre elles (le faisceau `a 800 nm ´etant centr´e entre les deux faisceau de pompe). Les trois impulsions focalis´ees, par un miroir sph´erique de distance focale f0=50 cm, en sortie d’un jet de gaz puls´e (pression en amont de 700 mbar, sans utilisation de gaz porteur).

Il existe toujours un ´equilibre entre le dioxyde d’azote et son dim`ere N2O4 :

2 NO2 ↔ N2O4 (5.2)

Chapitre 5. Photoexcitation du NO2 sond´e par spectroscopie d’harmoniques d’ordre ´elev´e

Pompe

Sonde

a)

b)

Sonde Sonde Sonde

O

O N

Figure 5.5 – Effet de l’angle relatif entre les axes de polarisation des faisceaux pompe et sonde. a) : les impulsions pompe et sonde sont polaris´ees parall`element, leur axe de polarisation est contenu dans le plan de la mol´ecule. b) : les impulsions pompe et sonde sont polaris´ees perpendiculairement, l’angle entre le plan de la mol´ecule et l’axe de polarisation des impulsions sonde est quelconque.

sortie du jet que pour le dioxyde d’azote, les diff´erents tuyaux de raccordement entre la bouteille de NO2 et la vanne puls´ee, ainsi que la vanne puls´ee elle mˆeme, sont chauff´es

(`a environ 80◦C). Connaissant l’enthalpie standard de r´eaction (∆rH0=-57.2 kJ/mol) et

l’entropie standard de r´eaction (∆rS0=-175.83 J/mol/K) associ´ees `a l’´equilibre 5.2, nous

pouvons calculer sa constante d’´equilibre K=0.1921 _{`a T=80}◦_{C, ce qui donne un rapport}

des pressions partielles de 10%.

Les harmoniques d’ordre ´elev´e produites sont analys´ees par un dispositif similaire `a celui du CELIA, constitu´e d’un r´eseau XUV et d’un dispositif de d´etection comprenant des galettes de microcanaux, un ´ecran de phosphore et une cam´era CCD.

Une lame demi onde permet de contrˆoler l’angle relatif entre les axes de polarisation des faisceaux pompe et sonde. Cet angle n’est a priori pas sans effet sur le processus de g´en´eration d’harmoniques, car les photons de pompe excitent pr´ef´erentiellement les mol´ecules « parall`eles » `a leur axe de polarisation. La figure 5.5 pr´esente l’effet de cet angle sur le milieu vu par les impulsions de g´en´eration. Sur cette figure, le faisceau pompe est polaris´e selon Oz et excite donc pr´ef´erentiellement les mol´ecules dont l’axe O-O est align´e selon Oz. Deux cas particuliers sont ´etudi´es :

ˆ Si l’impulsion de g´en´eration est polaris´ee parall`element `a l’impulsion de pompe (cas a) sur la figure 5.5), l’axe de polarisation du faisceau de g´en´eration est toujours contenu dans le plan de la mol´ecule excit´ee. Le syst`eme pr´esente une sym´etrie cylindrique d’axe Oz, et les impulsions de g´en´eration « voient » toutes les mˆemes orbitales de g´en´eration.

ˆ Si l’impulsion de g´en´eration est polaris´ee perpendiculairement `a l’impulsion pompe (cas b) sur la figure 5.5), son axe de polarisation fait un angle quelconque avec le plan de la mol´ecule excit´ee. Sur l’exemple de la figure5.5, cet angle est nul lorsque la mol´ecule est contenue dans le plan yOz, il vaut 90◦ lorsque la mol´ecule est contenue dans le plan xOz. La sym´etrie cylindrique du syst`eme est perdue, et le champ macroscopique rayonn´e est moyenn´e sur les diff´erents angles entre le plan de la mol´ecule et l’axe de polarisation du photon de g´en´eration.

5.1. R´eseau transitoire d’excitation Ampli tude ( unit é a rbit rai re) Temps Temps

Figure 5.6 – Effet de la superposition d’un champ ´electrique `a 400 nm sur l’amplitude du champ de g´en´eration (`a 800 nm) : le champ ´electrique total n’est plus oppos´e d’une demi-p´eriode optique `a l’autre.

5.1.2.2 R´eglage du dispositif exp´erimental

Dans cette exp´erience, le contrˆole du d´elai entre les diff´erentes impulsions et de l’ali- gnement des faisceaux est primordial.

R´eglage de l’alignement Afin de v´erifier la superposition des faisceaux au niveau du foyer, une lame de pr´el`evement peut ˆetre ins´er´ee entre le miroir de focalisation et la chambre de g´en´eration. Les diff´erents faisceaux sont r´efl´echis par cette lame sur une cam´era qui r´e-image le foyer `a l’aide d’un objectif de microscope.

R´eglage du d´elai entre les impulsions pompes Le r´eglage du d´elai entre les deux bras `a 400 nm est effectu´e grˆace `a la cam´era utilis´ee pour le r´eglage de l’alignement, sur laquelle on observe des franges d’interf´erences horizontales lorsque les deux im- pulsions sont synchronis´ees.

R´eglage du d´elai pompe-sonde Diff´erentes techniques sont possibles pour r´egler le d´elai pompe-sonde. On peut par exemple effectuer un m´elange de fr´equence (coli- n´eaire ou non) entre l’impulsion `a 800 nm et une impulsion `a 400 nm dans un cristal non lin´eaire : la production de photons `a 266 nm (triplage de fr´equence du 800 nm) ne sera efficace que lorsque les deux impulsions seront synchronis´ees. Pour r´egler ce d´elai, on peut ´egalement utiliser directement le signal harmonique (g´en´er´e dans un gaz `a forte efficacit´e de g´en´eration comme l’argon) : au d´elai nul, le recouvrement temporel (et spatial) entre l’impulsion de g´en´eration et celle de pompe modifie la p´eriodicit´e du processus de g´en´eration (voir figure 5.6). Le processus n’est plus an- tisym´etrique entre deux maxima d’amplitude du champ ´electrique, et la perte de la p´eriodicit´e temporelle de T0/2 (T0 ´etant la p´eriode fondamentale du laser) a pour

cons´equence l’apparition d’harmoniques paires dans le spectre. La d´etection de ces harmoniques paires atteste de la synchronisation des faisceaux `a 800 et 400 nm, ainsi que de leur recouvrement spatial.

Chapitre 5. Photoexcitation du NO2 sond´e par spectroscopie d’harmoniques d’ordre ´elev´e 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Intensité normalisée m= +1 m= -1 m= 0 H13 H15 H17 H19 H21 H11 Fréquence Diver ge nce H15

Figure 5.7 – Spectre harmonique enregistr´e pour un d´elai ∆t > 0. Le profil de l’harmonique 15 est compar´e `a un profil pris pour un d´elai ∆t < 0.