La r´ealisation de r´eseaux de diffraction `a multicouches di´electriques doit tenir compte de la contrainte de qualit´e de surface d’onde. En effet, comme tout composant optique, les r´eseaux de diffraction peuvent apporter des aberrations spatiales au faisceau diffract´e. Pour minimiser les d´efauts de surface d’onde des r´eseaux, une attention toute particu- li`ere est apport´ee au cours de la fabrication, du polissage du substrat `a l’enregistrement holographique, en passant par le d´epˆot des couches di´electriques.
4.3.1
Param`etres de surface d’onde d’un r´eseau : PV et RMS
La caract´erisation en surface d’onde d’un r´eseau de diffraction se fait `a l’aide de deux param`etres : le pic `a vall´ee (P V ) correspondant `a la diff´erence entre le point d’altitude maximum et le point d’altitude minimum `a la surface du r´eseau (zmax− zmin) et l’´ecart
quadratique moyen (en anglais RM S) est d´efini comme qP
(z − zmoy)2. Les param`etres
P V et RM S sont exprim´es en unit´e de longueur d’onde (λ), souvent sous la forme d’une fraction de longueur d’onde. La figure 4.5 pr´esente la surface d’onde d’un r´eseau de dif- fraction holographique `a traitement m´etallique de dimension 120 mm × 140 mm et de densit´e de traits 1740 mm−1
.
Fig. 4.5 – Surface d’onde 2D et 3D d’un r´eseau de diffraction holographique de dimension 120 mm × 140 mm. P V = λ/4 et RMS = λ/21 `a 633 nm.
La surface d’onde se pr´esente comme une image 2D ou 3D en fausses couleurs repr´esentant les diff´erentes altitudes `a la surface du r´eseau par rapport `a une surface plane de r´ef´erence. Les valeurs P V et RM S mesur´ees ici sont respectivement de λ/4 et λ/21 `a 633 nm.
4.3.2
Origines des d´efauts de surface d’onde des r´eseaux MLD
Les d´efauts de surface d’onde des r´eseaux de diffraction ont plusieurs origines. Tout d’abord, des imperfections de polissage du substrat peuvent alt´erer la qualit´e de surface d’onde. Ces d´efauts, surtout pr´esents sur les bords, sont cependant tr`es faibles car les substrats utilis´es pour les r´eseaux MLD sont polis typiquement `a λ/10 (P V ) mˆeme pour de tr`es grandes dimensions. Ensuite, le d´epˆot de l’empilement de couches di´electriques peut pr´esenter des d´efauts d’uniformit´e ou des d´eformations engendr´ees par le stress des couches di´electriques. Les donn´ees fournies par le fabricant des miroirs di´electriques r´e- v`elent des valeurs P V ≃ λ/6 et RMS ≃ λ/36 `a la longueur d’onde 1053 nm et `a l’angle d’incidence de 67.65◦
qui correspond `a l’angle m´edian entre les angles d’incidence et de diffraction du futur r´eseau. Les faisceaux laser utilis´es pour l’enregistrement holographique peuvent ´egalement introduire des d´efauts de surface d’onde sur le r´eseau. En particulier, si les faisceaux ne sont pas parfaitement collimat´es ou s’ils pr´esentent des aberrations spatiales. Tout type de d´efaut d’enregistrement se retrouvera sur l’onde diffract´ee avec un facteur correspondant au rapport des longueurs d’onde d’utilisation et d’enregistre- ment. Les mesures d’erreur holographique faites pour les r´eseaux MLD de dimension 485 mm × 335 mm ont donn´e des valeurs P V ≃ λ/3 et RMS ≃ λ/22 `a la longueur d’onde d’enregistrement des r´eseaux.
4.3.3
Caract´erisation en surface d’onde des r´eseaux MLD
Fig. 4.6 – Sch´ema d’un interf´erom`etre Fizeau pour la caract´erisation en surface d’onde de r´eseau de diffraction. Il se compose d’un bloc source laser-syst`eme imageur-cam´era, d’un phase shifter et d’une lame de r´ef´erence.
Pour la caract´erisation en surface d’onde d’´el´ements optiques comme les r´eseaux de dif- fraction, les m´ethodes interf´erom´etriques sont les mieux adapt´ees de part leur simplicit´e et leur grande r´esolution. En particulier, l’interf´erom`etre Fizeau pr´esente de nombreux avan- tages pour la caract´erisation en surface d’onde d’´el´ements optiques de grandes dimensions [64]. Il fait partie de la famille des interf´erom`etres `a deux ondes par division d’amplitude au mˆeme titre que les interf´erom`etres de Michelson, Twymann-Green ou Mach-Zehnder.
L’interf´erom`etre Fizeau que j’ai utilis´e, est compos´e d’une source laser, d’un syst`eme op- tique pour le grandissement du faisceau, d’un d´ecaleur de franges (phase shifter ), d’une cam´era et d’une lame de r´ef´erence (figure 4.6). Un miroir peut ˆetre ajout´e au montage dans le cas d’´echantillons r´efractifs.
Le r´eseau de diffraction `a caract´eriser en surface d’onde est positionn´e dans une mon- ture r´eglable en tilt, tip et rotation. Un syst`eme de franges est cr´e´e par interf´erences entre l’onde r´efl´echie par la lame de r´ef´erence de coefficient de r´eflexion ∼ 4% et l’onde r´efl´e- chie par le r´eseau de coefficient de r´eflexion ∼ 95%. Le contraste du syst`eme de franges d’interf´erences est optimis´e en ins´erant une densit´e optique calibr´ee de mani`ere `a avoir la mˆeme intensit´e pour les deux ondes r´efl´echies. La mesure se fait par phase shift c’est `a dire par l’acquisition successive de cinq interf´erogrammes d´ephas´es `a chaque fois de π/4 [65]. Ceci s’effectue en modifiant la distance de la cavit´e de l’interf´erom`etre Fizeau (dis- tance r´eseau-lame de r´ef´erence) par une translation piezo-´electrique. La mesure effectu´ee correspond donc `a la diff´erence entre la surface d’onde de r´ef´erence et la surface d’onde `a tester.
Les mesures de surface d’onde par interf´erom´etrie Fizeau des r´eseaux MLD pour le com- presseur du laser Pico2000 ont donn´e des valeurs typiques de P V = λ/3.5 et RM S = λ/19 `a 1053 nm ceci sur une dimension de 480 mm × 330 mm. L’interf´erom`etre Fizeau permet donc de mesurer la surface d’onde d’un r´eseau MLD de grande dimension avec une grande pr´ecision et de mani`ere rapide. Il n´ecessite cependant un environnement tr`es stable du fait de la sensibilit´e des mesures aux fluctuations m´ecaniques et thermiques.
4.3.4
Influence des d´efauts de surface d’onde des r´eseaux sur la
compression d’impulsions
Dans le cas du compresseur d’impulsions du laser Pico2000, le faisceau laser est r´e- fl´echi quatre fois sur les r´eseaux de diffraction. Des aberrations spatiales, introduites par les d´efauts de surface d’onde des r´eseaux, seront donc transf´er´ees au profil spatial du faisceau lors de la tranvers´ee du compresseur. Ces aberrations peuvent ´egalement affecter le profil temporel des impulsions recomprim´ees, en particulier la dur´ee des impulsions, du fait du couplage spatio-temporel dans le compresseur. C’est pourquoi, la qualit´e de surface d’onde des r´eseaux est une caract´eristique tr`es importante. Les r´eseaux de diffrac- tion MLD engendrent surtout des aberrations spatiales de type astigmatisme introduites par les d´efauts de polissage des substrats de grandes dimensions et du stress des couches minces di´electriques.
Une ´etude sur les effets des aberrations spatiales sur la compression d’impulsions a ´et´e men´ee au LULI par Benoˆıt Wattellier avec le laser 100 TW [32]. Elle a montr´e que l’uti- lisation de faisceaux de grande dimension (200-300 mm) comme c’est le cas pour le laser
Pico2000 et une configuration en double-passage rendait l’effet des aberrations spatiales n´egligeables sur la compression d’impulsions sub-picosecondes.