Pré-amplification / amplification de puissance

L’amplification de l’impulsion laser est réalisée à travers plusieurs étages amplifi-cateurs séparés par des systèmes afocaux qui permettent d’augmenter le diamètre du

Chapitre 2 Descriptif du dispositif expérimental sur la station LASERIX

Figure 2.1.2 – Schéma d’un étireur à triplet de Öffner [Chériaux 97].

faisceau et ainsi de maintenir une valeur d’intensité I inférieure à 1 GW/cm2 mal-gré l’amplification. De façon analogue à l’amplification X-UV (décrite au chap. 1 §. 1.2.5.1), on distingue deux régimes : un à fort gain et un à forte extraction d’éner-gie qui correspond au régime dit de « saturation ».

Amplificateur à gain

Le premier étage pour lequel la fluence de l’impulsion en entrée est très inférieure à la fluence de saturation Jsat est appelée « amplificateur à gain ». Dans ce régime l’impulsion ne perturbe pas notablement l’inversion de population du milieu et le gain est considéré comme constant tout au long du processus d’amplification. Le gain effectif G sur une longueur L au travers d’un cristal dans lequel une inversion de population N est générée, s’écrit de la façon suivante :

G= exp( N‡eL) (2.1.10)

où ‡eest la section efficace d’émission stimulée. Ce type d’amplificateur se caractérise par un gain qui ne dépend que de la densité d’énergie déposée dans le cristal (cf. Eq. 1.2.19), et par un très grand nombre de passages de l’impulsion au sein du milieu. Le gain cumulé est généralement supérieur à 104.

On distingue deux types d’amplificateurs à gain : l’amplificateur multi-passage et l’amplificateur régénératif. Le premier consiste à faire passer l’impulsion laser un

2.1 Généralités sur les chaînes laser intenses à amplification à dérive de fréquence (CPA) grand nombre de fois au sein du cristal amplificateur par multiplexage angulaire, comme illustré sur la figure 2.1.3. Nous allons décrire plus précisément l’amplificateur régénératif, celui-ci jouant un rôle prépondérant dans l’optimisation de la génération du laser X-UV (cf. chap. 3)

Figure 2.1.3 – Schéma d’un amplificateur multi-passage. Amplificateur régénératif (RGA)

Ce type d’amplificateur à fort gain se distingue des amplificateurs dits « multi-passages » par la présence d’une cavité dans laquelle est injectée une impulsion étirée. L’impulsion effectue une dizaine d’allers-retours avant d’être extraite lorsque l’énergie maximale est atteinte. Les gains accessibles sont importants, entre 103 et 106 suivant l’énergie de l’impulsion injectée.

L’injection et l’extraction de l’impulsion sont réalisées à l’aide d’un polariseur et d’une cellule de Pockels synchronisée avec le système laser. Sous l’action du champ électrique transitoire, la biréfringence du cristal non-linéaire de la cellule de Pockels est modifiée par effet électro-optique ce qui change la polarisation du faisceau inci-dent. Associée à un séparateur de polarisation, la cellule de Pockels agit comme une porte optique rapide, dans la gamme nanoseconde, permettant de piéger l’impulsion laser dans la cavité et de l’extraire après un certain nombre d’allers-retours (cf. Fig 2.1.4a). Le temps de commutation des cellules de Pockels doit être inférieur à la du-rée d’un aller-retour de l’impulsion laser dans la cavité, ce qui impose des longueurs de cavités optiques typiques supérieures au mètre (1 AR ƒ 6.6 ns).

L’amplification régénérative (RGA) présente plusieurs avantages. Tout d’abord, l’utilisation d’une cavité permet d’effectuer un grand nombre de passages au sein du cristal amplificateur en contrôlant la durée pendant laquelle l’impulsion est piégée. On peut ainsi stabiliser l’énergie en ajoutant un passage supplémentaire en cas de baisse d’amplification due à une baisse d’énergie du laser de pompe ou du faisceau injecté. La cavité permet également de filtrer le mode transverse, TEM00 dans la majorité des cas . L’axe de propagation en sortie étant défini par la géométrie de la cavité, la stabilité de pointé est alors peu sensible aux fluctuations spatiales du faisceau injecté (les instabilités d’entrée peuvent néanmoins modifier l’énergie de

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(a)

(b)

Figure 2.1.4 – (a) Schéma de principe d’un amplificateur régénératif. L’injection et l’extraction de l’impulsion s’effectuent avec une cellule de Po-ckels, couplée à un polariseur qui assure le piégeage dans la cavité et son extraction. La discrimination du faisceau d’entré et de sor-tie est effectuée avec un isolateur de Faraday (b) Chronogramme de l’amplification RGA montrant la phase d’injection, d’amplifica-tion (piégeage) et d’extracd’amplifica-tion. Le temps de commutad’amplifica-tion ·P K est inférieur à la durée d’un aller-retour (AR) ·AR.

2.1 Généralités sur les chaînes laser intenses à amplification à dérive de fréquence (CPA) sortie en altérant la qualité du couplage). Par conséquent, le RGA est couramment utilisé au début du processus d’amplification de la chaine laser (pré-amplification) afin d’injecter les amplificateurs de puissance (amplificateurs saturés) avec un mode de propagation et une stabilité de pointé et d’énergie optimaux.

Ce type d’amplificateur introduit cependant des pertes, principalement dues aux optiques polarisantes. La largeur spectrale de l’impulsion amplifiée est fortement réduite par la bande spectrale de transmission limitée des cellules de Pockels. Pour les systèmes requérant une largeur spectrale importante (> 30 nm à mi-hauteur), un filtre acousto-optique peut cependant être implanté au sein même de la cavité (Mazzler) [Oksenhendler 06]. Un autre défaut connu des amplificateurs régénératifs est qu’ils génèrent des pré-impulsions et post-impulsions par réflexions parasites à chaque aller-retour dans la cavité. Pour certaines applications nécessitant un haut contraste, un filtrage temporel de l’impulsion amplifiée est nécessaire avant d’injecter les amplificateurs de puissance. Il peut s’agir d’une cellule de Pockels fonctionnant sur un état transitoire (cf. « Pulse Cleaner » en Fig. 2.2.4). Cependant, nous verrons que ces pré-impulsions utilisées de façon contrôlée peuvent avoir un effet favorable sur la génération du laser X-UV. Les propriétés de cet amplificateur seront ainsi mises à profit au cours de ce travail de thèse.

Amplificateur de puissance

Les étages suivants appelés amplificateurs de puissance, se caractérisent par une fluence en entrée proche de Jsat (de l’ordre de 10 %). ce qui limite le nombre de passages dans le milieu pour y extraire l’énergie stockée [Plé 07a]. Par conséquent, cet étage est uniquement constitué d’amplificateurs multi-passages dont le gain total se situe typiquement entre 4 et 15.