Simulation du processus de pompage X-UV

Pour expliquer l’augmentation de la durée d’impulsion de pompe, nous réalisons cette fois-ci une modélisation de la dynamique des paramètres du plasma (tempéra-ture électronique, population d’ions lasants et valeur du gain X-UV lors du processus de pompage. Le code 0 D écrit par Olivier Guilbaud a pour objectif de montrer l’in-fluence de la durée de l’impulsion de pompe sur l’évolution de ces paramètres. On fait les hypothèses suivantes :

• le plasma est homogène ;

• le chauffage par l’impulsion de pompe via l’effet bremsstrahlung inverse est uniforme ;

5.3 Etude expérimentale • l’ionisation est prise en compte suivant le modèle de Tonon et Colombant

[Colombant 73] ;

• le modèle de gain est réalisé suivant les 3 niveaux de l’ion lasant (taux colli-sionnels et désexcitation radiative).

En outre, la baisse de la température électronique par collisions avec les ions et par conduction thermique est prise en compte. Ces simulations montrent que l’en-veloppe temporelle de la température électronique suit approximativement celle de l’impulsion de pompe, tandis que le processus d’ionisation vers l’état lasant prend un certain temps (appelé « temps d’ionisation »). Il s’ensuit que si la durée d’im-pulsion est trop courte devant ce temps caractéristique, la température électronique aura eu le temps de décroitre avant que l’état nickeloïde ne soit atteint empêchant le gain laser de s’établir. À l’inverse, pour une durée d’impulsion de pompe de l’ordre de plusieurs temps d’ionisation et à énergie constante, un phénomène de surionisa-tion peut se produire dans le front de montée de l’impulsion de pompe, avant que la température électronique nécessaire à l’inversion de population ne soit atteinte. Dans cette logique, lorsque la durée de pompe devient très longue, la température électronique n’est pas suffisante pour produire le gain et éventuellement pas même pour obtenir le degré d’ionisation nickeloïde en raison de la chute de l’intensité de la pompe.

L’optimum en durée correspond à un ou deux temps d’ionisation de telle sorte que le maximum de l’impulsion de pompe se produise au moment où la population d’ions lasants est la plus élevée.

Comparaison Argent/Titane

Cette simulation a été effectuée avec le Titane et l’Argent pour justifier la dif-férence de durée optimale entre les deux éléments. On remarque d’emblée que le temps d’ionisation est plus court pour le Titane. Le profil temporel du signal d’ions lasants « suit » plus directement la forme de l’impulsion de pompe et se rapproche de la forme de l’évolution de la température électronique. La coïncidence tempo-relle des deux phénomènes s’effectue ainsi pour des durées d’impulsions plus brèves, ce qui implique également une durée de gain plus courte que celle de l’Argent (cf. Fig. 5.3.6).

L’écart entre les deux temps d’ionisation s’explique par le différentiel des états d’ionisation à franchir pour atteindre l’état lasant. En effet, l’état d’ionisation lasant du Titane (Zú

N e≠like = 12) est inférieur à celui de l’Argent (Zú

N i≠like= 19). Or, le taux d’ionisation moyen du plasma après irradiation de la cible par la première impulsion est le même dans les deux cas, puisqu’il correspond à la même densité électronique à laquelle l’impulsion de pompe va être absorbée (nc.sin²„) typiquement proche de

Zúƒ 7. L’ionisation complémentaire vers l’état lasant du Titane est donc atteinte plus rapidement que pour l’Argent.

Dans le schéma QAGRIP, il s’ensuit que la durée optimale de l’impulsion de pompe pour l’Argent est supérieure à celle du Titane [Delmas 14].

Chapitre 5 Dispositif QAGRIP : création du plasma avec une impulsion longue de faible intensité

Figure 5.3.6 – Simulation de l’énergie X-UV en sortie de colonne plasma en fonc-tion de la durée de l’impulsion de pompe. La courbe en rouge repré-sente le cas d’une cible en Titane et la bleue une cible en Argent.

5.4 Optimisation du dispositif QAGRIP pour réaliser

une source X-UV injectée

5.4.1 Variante du QAGRIP : 1L2S

Pour des lasers X-UV générés à partir d’un plasma faiblement ionisé, soit de façon délibérée comme pour le schéma QAGRIP, soit dans le cas des chaînes laser de puissance de taille plus modestes (Pcrˆete ¥ 10 TW), de récentes études montrent que l’introduction d’une pré-impulsion courte venant interagir avec le pré-plasma quelques dizaines de picosecondes avant l’impulsion de pompe, permet d’augmenter l’efficacité de génération [Banici 12]. L’intérêt de cette méthode (nommée 1L2S2) est de découpler la dynamique d’ionisation du pré-plasma vers l’état lasant du processus de pompage de l’inversion de population. Pour cela, on divise l’impulsion de pompe typique du QAGRIP en deux répliques de rapport d’énergie et de délai variable, pour séparer les deux fonctions que sont l’ionisation vers l’état lasant puis la génération du gain. Après un délai correspondant au temps d’ionisation, l’impulsion de pompe, de plus haute énergie, chauffe les électrons à une température élevée pour maximiser l’inversion de population.

En collaboration avec l’INFLPR, cette méthode a été appliquée sur la station LASERIX et étudiée dans le cas du QAGRIP [Cojocaru 14]. Le dispositif initial de génération décrit au §. 5.2 est pour cela légèrement ré-adapté : une pellicule de

2. Acronyme qui désigne la séquence d’interaction avec la cible : « 1Long + 2 Short pulses » (Une impulsion plasma suivie de deux impulsions courtes : la pré-impulsion et l’impulsion de pompe)

5.4 Optimisation du dispositif QAGRIP pour réaliser une source X-UV injectée