Montage exp´ erimental conventionnel

Le terme « conventionnel » fait ici r´ef´erence `a l’utilisation d’impulsions femtosecondes dont la longueur d’onde centrale est proche de 800 nm.

1.3.1.1 La chaˆıne laser Aurore du CELIA

La chaˆıne Aurore est la chaˆıne laser historique du CELIA. Il s’agit d’une chaˆıne laser Titane-Saphir bas´ee sur l’amplification `a d´erive de fr´equence (CPA : Chirped Pulse Am- plification, [Strikland 85]), d´elivrant des impulsions de longueur d’onde centrale 810 nm, de dur´ee 35 fs avec un taux de r´ep´etition de 1 kHz.

La figure 1.14 repr´esente le plan d’installation de la chaˆıne Aurore. Les impulsions en sortie d’oscillateur sont ´etir´ees, puis amplifi´ees dans un amplificateur r´eg´en´eratif et dans un amplificateur cryog´en´e multipassage. Apr`es amplification, les impulsions se propagent ´etir´ees jusque dans les salles d’exp´eriences, afin de minimiser les effets non lin´eaires lors de la propagation dans l’air.

Au cours de cette th`ese, la chaˆıne Aurore a subi une premi`ere jouvence, passant d’une ´energie par impulsion de 10 mJ `a 20 mJ avant compression (environ 7 `a 14 mJ apr`es compression). Cette jouvence a permis le fonctionnement de deux salles exp´erimentales en parall`ele, tout en am´eliorant la stabilit´e de point´e (12 microradians) et en ´energie par impulsion (inf´erieure `a 2% rms).

De nouvelles am´eliorations de la chaˆıne sont en cours. Une nouvelle jouvence est pr´evue afin d’atteindre environ 30 mJ par impulsion avant compression, combin´ee `a un maintien de la bande spectrale au cours de l’amplification qui permettrait de descendre `a des dur´ee

Chapitre 1. G´en´eration d’harmoniques d’ordre ´elev´e : mod´elisation et exp´eriences Sélecteur Nettoyeur Oscillateur Ti:saphir 20 fs Nd:YLF 1 kHz 15W Amplificateur Régénératif 1.5 mJ 180 ps Etireur Öffner Nd:YLF 1 kHz 29W Nd:YLF 1 kHz 29W Nd:YLF 1 kHz 29W Nd:YLF 1 kHz 29W Amplificateur cryogéné multi-passages -Taux de répétition :1 kHz - Longueur d’onde 810 nm (FWHM 30 nm) - Durée :35 fs(FWHM)

- Energie (après compression) :2

- Contrastes temporels : Pré-impulsions à 8 ns ~6 10-8

Pied ASE ~3 10-8

- Intensité sur cible :7 1016_W/cm2_{(focale 200 mm)}

- Stabilité : en énergie tir à tir ± 1,4% rms

22 W @ 1kHz Compresseur 2 x 7 mJ - 35 fs 1 kHz 0.2 nJ - 270 ps faisceaux de7 mJ chacun

Figure 1.14 – Plan d’installation et caract´eristiques de la chaˆıne laser Aurore du CELIA.

d’impulsion de 20-25 fs. Parall`element `a cela, des tests sont actuellement en cours afin d’impl´ementer sur diff´erents miroirs de la chaˆıne une boucle d’asservissement dans le but d’am´eliorer la stabilit´e en point´e du faisceau (mesur´ee, avec cette boucle de r´etroaction, `

a 4 microradians lors de tests pr´eliminaires).

1.3.1.2 Milieu de g´en´eration

Comme nous l’avons vu dans la section 1.1.3, le signal harmonique est la r´eponse macroscopique d’un milieu constitu´e d’un grand nombre d’´emetteurs. Afin d’optimiser ce signal, il faut maximiser la r´eponse de l’atome unique et satisfaire aux conditions d´ecrite dans [Constant 99].

Diff´erentes configurations sont enviseageables pour le milieu de g´en´eration : cellule de gaz, jet de gaz (continu ou puls´e), fibres creuses remplies de gaz.

La plupart des r´esultats pr´esent´es dans ce manuscrit ont ´et´e obtenus en utilisant un jet de gaz puls´e, synchronis´e sur les impulsions de g´en´eration. L’int´erˆet de cette source de gaz est de permettre d’avoir un milieu de g´en´eration fin combin´e `a une forte densit´e de gaz pendant un temps bref. Par rapport `a un jet continu, on peut obtenir une densit´e locale au niveau du foyer laser plus importante pour un mˆeme d´ebit moyen de gaz total dans la chambre. Ce d´ebit total va d´eterminer les capacit´es de pompages n´ecessaires, afin de n’avoir ni trop de densit´e le long de la propagation des harmoniques, ni une pression trop forte dans la chambre du spectrom`etre XUV (voir ci-dessous). Diff´erentes vannes puls´ees ont ´et´e utilis´es (vannes Attotech et vannes Even-Lavie), pr´esentant notamment des diff´erences dans la collimation et la temp´erature rotationnelle en sortie de buse (voir section 4.2).

Pour certaines exp´eriences, nous avons utilis´e une cellule de gaz continue (voir section

2.2). Les parois de cette cellule sont ferm´ees par un film de Teflon, que l’impulsion laser focalis´ee va venir percer. Ainsi, l’ouverture de cette cellule sera de l’ordre du rayon de ceinture (waist ), soit quelques centaines de microns ; par effet de pompage diff´erentiel, on pourra avoir une pression relativement forte dans la cellule (jusqu’`a plus de 100 mbar) tout

1.3. Dispositif exp´erimental de g´en´eration d’harmoniques d’ordre ´elev´e

en maintenant une pression r´esiduelle limit´ee dans la chambre de g´en´eration (inf´erieure `a quelques 10−2 mbar).

1.3.1.3 Spectrom`etre XUV

Le rayonnement harmonique est analys´e `a l’aide d’un spectrom`etre XUV, constitu´e d’un ´el´ement dispersif (r´eseau XUV) et d’un d´etecteur imageur (galettes de microcanaux). Le r´eseau utilis´e est un r´eseau XUV sph´erique HITACHI ([Harada 99]), blaz´e `a l’ordre 1 et utilis´e en incidence rasante (angle d’incidence : i = 87◦). Ce r´eseau va, dans le plan sagittal (horizontal), disperser les harmoniques et les focaliser sur le detecteur, imageant la fente source. Afin de minimiser les aberrations sur le d´etecteur, le pas du r´eseau est variable (autour de la valeur moyenne de 1200 traits par millim`etre), ce qui permet la focalisation des harmoniques sur un plan et non sur une sph`ere. Du fait du fort astigmatisme introduit par l’angle d’incidence sur le r´eseau, sa distance focale correspondant `a la dimension verticale peut ˆetre consid´er´ee comme infinie, et le r´eseau se comporte ainsi (pour cette dimension verticale) comme un miroir plan. Nous pouvons donc mesurer sur le d´etecteur le spectre harmonique dans le plan horizontal et la divergence des harmoniques dans le plan vertical. Pour des raisons d’encombrement, nous n’avons pas pu installer un montage respectant exactement les distances nominales permettant d’imager la fente d’entr´ee du spectrom`etre sur le d´etecteur, mais nous avons malgr´e tout gard´e une r´esolution d’environ 0.3 nm, satisfaisante pour les exp´eriences que nous avons r´ealis´ees.

Apr`es dispersion sur le r´eseau, les harmoniques sont d´etect´ees `a l’aide de galettes de microcanaux. Sur ces galettes (de diam`etre 40 mm), un photon incident sera converti en un photo´electron, qui sera `a son tour converti en un paquet d’´electrons secondaires par effet cascade. Ces ´electrons vont ensuite ˆetre acc´el´er´es pour finalement percuter un ´ecran de phosphore, dont la phosphorescence est enregistr´ee par une cam´era CCD 12 bit (refroidie `a 30◦ C en dessous de la temp´erature ambiante).

Le signal mesur´e sur cet ´ecran de phosphore provient majoritairement des harmo- niques dispers´ees par le r´eseau. Cependant, il peut y avoir dans ce signal une composante de « bruit optique », due notamment `a la diffusion des photons XUV par les d´efauts des diff´erentes optiques et qui atteignent le d´etecteur apr`es de multiples r´eflexions sur les parois/montures m´etalliques de la chambre du spectrom`etre. Le bruit optique est sensible- ment r´eduit en entourant le r´eseau d’une boite m´etallique disposant d’une fente d’entr´ee, qui ne laisse passer que les photons ´emis selon l’axe de propagation du laser de g´en´eration, et d’une fente de sortie, laissant passer les photons dispers´es par le r´eseau. Ce blindage, s’il ne rend pas les galettes de microcanaux « ´etanches » au bruit optique, permet n´eanmoins de limiter sensiblement ce dernier.

Les tensions appliqu´ees sur les diff´erents composants du d´etecteur ´etant importantes (typiquement 1800 `a 2200 V sur les galettes de microcanaux, 2800 V sur l’´ecran de phos- phore), il est n´ecessaire de maintenir la pression r´esiduelle inf´erieure `a 10−5 mbar dans la chambre du spectrom`etre pour ´eviter la cr´eation d’arcs ´electriques. Cette chambre est donc isol´ee de la chambre de g´en´eration (o`u la pression r´esiduelle peut monter jusqu’`a quelques 10−2 mbar) par un trou de pompage diff´erentiel (tube de longueur 80 mm et de section 1 mm sur une longueur de 5mm et 5 mm sur une longueur de 75 mm).

Chapitre 1. G´en´eration d’harmoniques d’ordre ´elev´e : mod´elisation et exp´eriences

H15

H17

H19

H21 H23 H25

Fréquence

Espace

Figure 1.15 – Image de l’´ecran de phosphore (en fausses couleurs), correspondant `a une partie du spectre d’harmoniques d’ordre ´elev´e de l’argon obtenu `a partir d’un champ g´en´erateur `a 800 nm et d’un ´

eclairement au foyer de 1.2×1014_W/cm2_.

sent´e sur la figure1.15. Le profil spatial du signal pr´esente des taches centrales d’intensit´e, fines et intenses, entour´ees d’anneaux avec un signal moins important. Ces diff´erents pro- fils correspondent `a la contribution des trajectoires courtes (faible largeur spectrale, faible divergence) et des trajectoires longues (largeur spectrale et divergence plus importantes).