Les sources laser

V.1.1 Le laser impulsionnel Nd :Verre du CLFA

La chaîne laser impulsionnelle du CLFA comporte deux voies constituées chacune d’un oscillateur suivi d’un système d’amplification à quatre niveaux. Les amplificateurs de diamètre croissant (f7, f16, f25, f45) sont constitués de barreaux cylindriques de verre phosphate dopé au néodyme et pompés par flashs. Les deux voies sont munies d’un rotateur de Faraday (f25) couplé à deux polariseurs croisés afin d’éviter d’éventuels retours issus de réflexions sur les cibles ou les optiques de focalisation. Les faisceaux laser sont distribués sur

les différents postes d’expérimentations à l’aide d’un jeu de miroir Rmax montés sur vérins. Lors des expériences présentées dans ce travail, seule la voie 1 de la chaîne laser a été utilisée. Dans la longueur d’onde du fondamental (1064 nm), cette voie délivre une impulsion de forme gaussienne (Figure V-1) dont la largeur à mi-hauteur peut être réglée entre 10 ns et 20 ns, avec une énergie de 30 J. Comme on peut le voir sur la Figure V-1, cette impulsion est très modulée, ce qui rend difficile la mesure de sa durée à mi-hauteur. Au cours de ce travail, elle était de l’ordre de 10-12 ns. -30 -20 -10 0 10 20 30 Int ens it é ( U .A .) Temps (ns)

Figure V-1: Profil temporel typique de l’impulsion gaussienne de la voie 1.

Un cristal en KDP est utilisé pour réaliser le doublage en fréquence de l’harmonique fondamentale, et obtenir ainsi une impulsion laser à 532 nm. L’accord de phase des cristaux est réglé avec une photodiode FND100 sur le signal de l’oscillateur du laser. Pour supprimer les fuites de l’harmonique fondamentale en sortie du cristal doubleur, nous avons ajouté un filtre BG38. La réflexion sur ce dernier est utilisée pour la mesure d’énergie à 532 nm (voir V.1.1.1). La réduction de la durée de l’impulsion laser au cours du doublage est compensée en jouant sur la tension de charge de l’oscillateur laser. Afin de pouvoir travailler sur une même gamme de flux pour les deux longueurs d’ondes, sans trop changer le diamètre de la tâche focale, un deuxième amplificateur f45 a été rajouté sur la voie 1. Ceci nous a permis d’obtenir 50 J à 1064 nm, et environ 9 J à 532 nm après conversion de fréquence, le rendement de conversion étant resté à peu près constant autour de 17-18 % pour l’ensemble des expériences.

V.1.1.1 Mesure d’énergie

L’énergie du laser est déterminée à chaque tir par un calorimètre diffuseur couplé à une photodiode FND100 en mode photovoltaïque. Ce système est placé derrière un miroir de renvoi R = 99 % afin de mesurer un signal constant correspondant à 1 % de l’énergie laser incidente. Le système est étalonné avant et après chaque série de tirs à l’aide d’un calorimètre absolu installé dans la zone d’interaction.

A la longueur d’onde de 532 nm, la mesure d’énergie est réalisée suivant le même principe. Cependant, comme on ne dispose pas d’un miroir R = 99 % à cette longueur d’onde, le signal est pris sur la réflexion du filtre BG38 placé en sortie du cristal doubleur.

Dans toutes nos expériences, l’énergie incidente sur la zone d’interaction est modulée en utilisant un jeu de densités (D) préalablement étalonnées pour chaque longueur d’onde. Ceci permet de faire varier l’énergie sans changer les autres caractéristiques de l’impulsion laser (durée et tache focale).

V.1.1.2 Profil temporel de l’impulsion laser

Le profil temporel de l’impulsion laser (Figure V-1) est mesuré par une photodiode rapide Hamamatsu (temps de montée de 600 ps) installée après le dernier miroir Rmax de renvoi. Cette photodiode est munie d’un filtre interférentiel à la longueur d’onde du laser. L’acquisition des signaux est effectuée par un oscilloscope Tectronics TDS 684B (1 GHz) ou par un HP54542 A (500 MHz). Ceci permet de vérifier le niveau des modulations temporelles et de déterminer la largeur à mi-hauteur de l’impulsion laser à chaque tir.

V.1.1.3 Mesure de la tâche focale

Lors de nos expériences, la surface de la tâche focale a été mesurée à partir de l’impact, sur du papier thermique KODAK installé à la place de la cible, d’un tir atténué pour que la densité d’énergie soit d’environ 0,3 J/cm² sur le papier. Les dimensions de la tâche sont mesurées à l’aide d’une loupe munie d’une mire graduée avec une précision de 100 mm. Pour confirmer cette mesure, nous avons aussi mesuré les dimensions d’un impact réalisé sur cible métallique. La répartition d’intensité obtenue sur la papier thermique en comparant les zones plus ou moins brûlées peut être comparée à celle obtenue par une caméra CCD située en fin de chaîne et couplée à un système d’analyse d’image.

V.1.1.4 Calcul de la densité de puissance

La densité de puissance maximale I0 irradiant la cible est calculée à partir des trois paramètre définis ci-dessus qui sont mesurés expérimentalement lors de chaque tir :

S E I t = 0 . (V-1)

Pour une impulsion gaussienne, cette approximation induit une erreur systématique de 6 %. Néanmoins, la précision sur les mesures de E, t et S n’excédant pas les 10 %, la formule (V-1) est suffisante pour le calcul de la densité de puissance. Bien que ceci soit un abus de langage, dans toute cette étude, le terme d’« intensité laser » a été utilisé pour décrire la « densité de puissance ».

V.1.2 La chaîne laser impulsionnelle 6 faisceaux du LULI

La chaîne impulsionnelle du LULI est construite sur un modèle similaire à celle du CLFA, mais elle permet d’obtenir simultanément 6 faisceaux laser ayant chacun une énergie proche de 100 J. Suivant l’oscillateur utilisé, la chaîne peut fournir une impulsion gaussienne avec une durée à mi-hauteur de 600 ps, ou bien une impulsion carrée à front de montée bref avec une durée proche de 3 ns. Dans le cadre de cette étude, seule l’impulsion carrée de 3 ns a été utilisée. Le profil temporel typique de cette impulsion est présenté sur la Figure V-2.

0 1 2 3 4 5 6 7 Temps (ns) 3 ns 2.2 ns FHWM Int en sit é ( U .A .)

Figure V-2 : Profil temporel typique de l’impulsion carrée de 3 ns de la chaîne 6 faisceaux du LULI.

L’énergie et la durée d’impulsion sont obtenues directement à partir du tableau de contrôle du laser et la tâche focale est mesurée de la même façon qu’au CLFA, en utilisant du papier thermique.

Nous avons aussi réalisé un doublage de fréquence sur ce laser. Le signal de l’oscillateur ne pouvant pas être acheminé jusqu’en salle d’expérimentation, l’accord de phase a été réglé en utilisant une lentille divergente accolée au cristal doubleur. Le rendement de conversion a été calculé en comparant la valeur de l’énergie de l’onde laser doublée en fréquence, mesurée en salle d’expérience avec un calorimètre absolu, avec la valeur de l’énergie de l’onde fondamentale mesurée en salle laser. Le meilleur rendement de conversion obtenu, d’environ 19 %, est très proche de celui obtenu avec le laser du CLFA. A 532 nm, la mesure d’énergie est réalisée suivant le même principe qu’au CLFA, à partir de la réflexion sur un filtre BG38 placé en sortie du cristal doubleur.

V.1.3 Le laser impulsionnel Continuum Powerlite 9000+

Ce laser est un laser Nd :YAG industriel qui présente plusieurs avantages par rapport aux sources précédentes :

· il peut fonctionner avec une fréquence de tir pouvant aller jusqu’à 10 Hz, ce qui permet de traiter des zones relativement importantes en un temps relativement court,

· il nécessite beaucoup moins de réglages que les sources de laboratoire, et ces derniers sont automatisés,

· du fait de ses dimensions réduites, il peut être transporté et utilisé en dehors des locaux du CLFA.

A 1064 nm, il délivre une impulsion gaussienne d’une durée à mi-hauteur de 9 ns avec une énergie de 3 J. Un système de conversion de fréquence intégré permet d’obtenir un très bon rendement de conversion, tout en simplifiant énormément les réglages d’accord de phase. Après conversion, l’impulsion laser à 532 nm a une énergie de 1,5 J et une durée à mi-hauteur légèrement réduite, égale à 8 ns. Le profil temporel de l’impulsion laser est mesuré par une photodiode installée derrière le premier miroir Rmax de renvoi, et l’acquisition des signaux est effectuée par un oscilloscope Tectronics TDS 684B (1 GHz). Le laser ayant une très bonne stabilité en énergie, cette dernière n’est mesurée qu’avant et après chaque série de tirs à l’aide

d’un calorimètre absolu installé en sortie de cavité. La tâche focale est mesurée de la même façon qu’avec les deux sources précédentes, en utilisant du papier thermique.