Première géométrie expérimentale et focalisation

La figure 3.11 présente un schéma de la configuration expérimentale qui a été utilisée pour la première série d’expériences. Le faisceau laser principal (FP) est focalisé à l’intérieur d’une chambre d’interaction à vide par une parabole hors axe (f/3) au centre de la chambre. Un système d’imagerie permet d’imager le faisceau laser à la position de cible, avec un grandissement de 17×, pour contrôler la tache focale. Il peut être utilisé à pleine énergie pour vérifier la répartition d’énergie laser et l’énergie transmise à travers la cible (Figure 3.12c). La position du centre de la chambre est définie par une mince pointe métallique et peut être observée par 3 systèmes d’imagerie à bas grandissement (2×) placés en haut de la chambre à 90º l’un de l’autre et à 45º au-dessus du plan de la table optique dans la chambre. Le faisceau laser est incident sous un angle de 45° sur le miroir plasma (MP) ainsi que sur la cible.

Dans cette configuration, l’absorbant saturable additionnel n’a pas été utilisé en sortie de l’amplificateur régénératif, mais le miroir plasma a été inséré dans la chambre d’interaction pour améliorer le contraste de l’impulsion laser y compris la raideur de la montée du pic principal. Le contraste de l’impulsion laser avant le miroir plasma dans le domaine de ns est d’environ 108 _en

intensité. Dans le domaine de ps, le contraste est de 108_-109 _{jusqu’à 20 ps avant l’impulsion}

principale. Le miroir plasma est positionné à 5 mm de la cible pour atteindre la fluence sur le miroir plasma de l’ordre de 54 J/cm2_{. La polarisation du laser est linéaire et parallèle au plan}

d’incidence. La réflectivité du miroir plasma est de 60%.

3.6.1. Tache focale

Pour optimiser la focalisation, le miroir déformable a été utilisé dans le compresseur avant la recompression de l’impulsion. Comme l’ajustement n’est pas rapide, le front de phase ne pouvait pas être vérifié et corrigé après chaque tir laser. Toutefois, l’expérience montre que d’un tir à l’autre il restait constant, et que la même correction devait être conservée au cours d’une journée de tirs, mais aussi durant une campagne expérimentale complète. Les mesures de la tache focale étaient effectuées chaque jour à bas flux et à haut flux après le miroir plasma afin de vérifier la qualité de focalisation ainsi que la position de focalisation de la parabole après le miroir plasma. La position de focalisation du laser à haut flux était en général différente par rapport à la position à bas flux à cause des effets de lentille thermique du laser modifiant le front de phase quand les cristaux amplificateurs sont pompés plus fortement. En outre, un possible déplacement et une déformation du front plasma réfléchissant du miroir plasma peuvent

augmenter cet effet. Le décalage de la position de la meilleure focalisation était d’environ 200 μm à haut flux. Les mesures à haut flux laser donnaient également grossièrement une idée du contraste, car une importante pré-impulsion impacterait la surface du miroir plasma avant l’arrivée de l’impulsion principale, ce qui dégraderait la tache focale. Ainsi, nous avons obtenu une tache focale de dimension 5.4 ± 0.4 µm PLMH comprenant ~30% de l’énergie laser et permettant d’accéder à une intensité maximale de I = 5 × 1019 _W/cm2_.

Figure 3.11 : Schéma de l’installation expérimentale: la ligne noire continue indique la chambre d’interaction à vide, le faisceau principal (FP) est en rouge, le premier faisceau sonde (S1) est en bleu, le deuxième faisceau sonde est en vert, M est le dernier miroir avant la parabole hors axe (PHA), MP est le miroir plasma, la cible est au centre de la chambre, W est une lame prismatique en verre (wedge en anglais), L1 est un doublet de 25 cm de distance focale, L2 est une lentille de 40 cm de distance focale et L3 est une lentille de 50 cm de distance focale. S est un diffuseur Spectralon. Les deux flèches noires présentent les directions d’accélération d’ions des deux côtés de la cible.

Figure 3.12 : a) Champ proche du faisceau laser après compression. Le diamètre du faisceau est 95 x 100 mm PLMH. La coupure sur le côté gauche de l’image est due au réseau de diffraction lors du

processus de compression; b) champ lointain du faisceau laser après compression; c) profil de la tache focale pendant un tir sur cible après l’optique de focalisation.

3.6.2. Alignement des cibles

Une roue avec des cibles sur un fil micrométrique (~20 μm) nous a permis de positionner les cibles au centre de la chambre à l’aide de deux lignes d’imagerie. Les cibles étaient avant tout pré alignées à l’extérieur de la chambre d’expérience afin de mettre l’axe perpendiculaire aux faces des cibles suivant l’axe des diagnostics de temps de vol. L’angle de la cible doit être réglé précisément dans chaque direction car les protons du mécanisme TNSA sont accélérés normalement à la surface de la cible. Avant chaque tir, le positionnement et l’orientation des cibles étaient contrôlés à l’aide des lignes d’imagerie et une monture motorisée à 6 axes. Au besoin, un tilt vertical et horizontal de la roue permettaient d’ajuster l’angle des cibles. Chaque roue pouvait alors contenir une vingtaine de cibles, ce qui nous évitait d’ouvrir la chambre d’expérience très souvent. Le temps d’observation et l’enregistrement des données prenaient environ 5 min après chaque tir.

Tous les diagnostics visent le centre de la chambre, où le positionnement de la cible est un élément clé pour obtenir l’intensité maximum car la longueur de Rayleigh est de 100 μm au point focal. Deux faisceaux sonde obtenus par séparation du faisceau principal avant compression sont utilisés. Ces faisceaux sonde sont ensuite comprimés en utilisant deux compresseurs supplémentaires, dans l’air. Le premier faisceau (S1 sur la figure 3.11) est propagé le long de la surface de la cible qui est imagée avec un grandissement de 5× pour visualiser sa position dans la longueur de Rayleigh et son tilt vertical (figure 3.13). Le deuxième faisceau (S2 sur la figure 3.11) sonde est réfléchi de la face arrière de la cible. Cela nous permet de s’assurer que les tilts de la surface de la cible sont corrects et alignés correctement

par rapport à l’axe de détection de protons. Un autre système d’imagerie est situé sur la surface de la table optique et regarde la cible par en dessous pour visualiser l’inclinaison latérale.

Figure 3.13 : Image d’un fil de 25 µm visualisé avec le faisceau sonde S1 par un système d’imagerie pour le positionnement du point focal et l’alignement du tilt vertical d’une cible.