C’est notamment pour ´etudier la propagation dans l’atmosph`ere d’un faisceau laser femtoseconde t´erawatt `a grande distance (quelques kilom`etres) que le projet T´eramobile a ´et´e lanc´e. La construction du syst`eme T´eramobile, le premier, et le seul laser femtoseconde t´erawatt mobile `a ce jour, est n´ee du besoin de pouvoir ´etudier la propagation dans l’air sous toutes les conditions atmosph´eriques : pluie, brouillard, pression r´eduite... `A cet effet, des exp´eriences de terrain hors des laboratoires ´etaient n´ecessaires. Il ´etait ´egalement utile d’associer un laser femtoseconde t´erawatt `a un autre ´equipement sp´ecifique tel qu’un t´elescope astronomique pour ´etudier la propagation verticale du faisceau. Cependant, en raison des probl`emes de coˆut, associ´es `a de tels ´equipements, cela n’avait pour l’instant pas ´et´e possible. Nous allons maintenant d´ecrire les principaux composants du syst`eme T´eramobile.
1.2.1 Chaˆıne laser
La r´ealisation de la chaˆıne laser du T´eramobile est une vraie r´eussite de ce projet. En effet, habituellement pour un tel laser, une surface de 50 `a 100 m2 est n´ecessaire alors que la salle ici mesure seulement 3 m × 2,10 m.
La chaˆıne laser du T´eramobile est un laser commercial r´ealis´e par Thales sur une demande sp´ecifique du projet T´eramobile. Il est compos´e des ´el´ements habituels d’un la-ser femtoseconde t´erawatt `a d´erive de fr´equence : oscillateur, ´etireur, amplificateurs et compresseur. L’oscillateur Ti : Sa cr´ee les impulsions ultra-br`eves, qui sont ´etir´ees tem-porellement, pour ˆetre ensuite amplifi´ees et enfin recompress´ees : c’est le principe de l’amplification `a d´erive de fr´equence (Chirped Pulse Amplifier (CPA)) [1](cf. Fig. 1.9). L’int´erˆet d’´etirer les impulsions est de pouvoir les amplifier sans endommager les diff´ e-rents ´el´ements optiques que comporte la chaˆıne amplificatrice, en particulier les cristaux
1.2. Le syst`eme T´eramobile λ 800 nm Dur´ee de l’impulsion 70 `a 600 fs Largeur spectral 16 nm ´ energie 350 mJ
Puissance crˆete max d’une impulsion 5 TW Taux de r´ep´etition 10 Hz
Tab. 1.1 – R´esum´e des performances du laser T´eramobile
laser. L’impulsion est ensuite recomprim´ee afin d’obtenir une puissance crˆete maximale en sortie de chaˆıne. Les caract´eristiques du laser sont r´esum´ees au tableau 1.1.
oscillateur étireur amplificateur régénératif amplificateur multipassages compresseur impulsions courtes faible énergie impulsions longues faible intensité
extrait des impulsions puis les amplifie énergie moyenne amplification, haute énergie recompression impulsions courtes haute énergie haute intensité étireur compresseur h:\user\niedermeier\bilder\cpa_eng2.cdr 6 nJ 80 fs 8 107 Hz 2-3 nJ 200 ps 8 107Hz 5 mJ 200 ps 10 Hz 400 mJ 200 ps 10 Hz 250 mJ 100 fs 10 Hz
Fig. 1.9 – Principe de l’amplification `a d´erive de fr´equence (CPA)
Nous allons maintenant d´ecrire les ´el´ements qui nous permettent de choisir les carac-t´eristiques du faisceau de sortie, c’est `a dire le compresseur et le t´elescope d’´emission.
1.2.2 Contrˆole de la dur´ee d’impulsion
Apr`es la g´en´eration des impulsions femtosecondes dans l’oscillateur, les impulsions sont ´
etir´ees temporellement `a l’aide d’un ´el´ement dispersif constitu´e d’un syst`eme de r´eseaux. Les diff´erentes composantes spectrales sont ainsi s´epar´ees temporellement `a la sortie de l’´etireur par une relation de phase connue. Le rˆole du compresseur est de compenser cette
relation de phase pour recomprimer l’impulsion en rassemblant les diff´erentes composantes spectrales pour obtenir en sortie de chaˆıne une puissance crˆete maximale. Le compresseur dans la chaˆıne laser du T´eramobile est compos´e de deux r´eseaux (cf. Fig. 1.10). Il permet d’obtenir des impulsions de 70 fs avec une ´energie de 350 mJ `a 10 Hz, soit 5 TW de puissance crˆete. Réseau Réseau Dièdre Entrée Sortie l0 l0 l1 l2 ll12
Fig. 1.10 – Sch´ema de principe du compresseur
Le deuxi`eme r´eseau est plac´e sur une platine de translation afin de modifier la disper-sion du compresseur de mani`ere `a ajuster la dur´ee de l’impulsion en ´emettant dans l’air les composantes spectrales de grandes longueurs d’onde en avance par rapport `a celles de courtes longueurs d’onde ou r´eciproquement. Cette possibilit´e nous permet d’utiliser `
a notre avantage la dispersion de vitesse de groupe de l’air. En effet, dans l’atmosph`ere, comme nous l’avons d´ecrit au paragraphe 1.1.1.2, les composantes spectrales de grandes longueurs d’onde se propagent plus vite que celles de courtes longueurs d’onde.
Aussi, si `a la sortie du compresseur les composantes spectrales de grandes longueurs d’onde sont en retard par rapport aux plus courtes, toutes les composantes vont se re-trouver rassembl´ees `a plusieurs m`etres ou plusieurs centaines de m`etres de distance (cf. Fig. 1.11). La position de l’intensit´e crˆete maximale est ainsi contrˆol´ee. On peut parler de “focalisation temporelle” de l’impulsion.
On peut aussi g´en´erer dans le compresseur des impulsions de mˆeme dur´ee mais avec un ordre invers´e des composantes spectrales de l’impulsion. Alors que le faisceau a la mˆeme puissance initiale, cette mise en forme temporelle des impulsions affecte fortement la propagation du faisceau. C’est ce qui a ´et´e d´emontr´e `a Tautenburg par la prise de pho-tographies avec le t´elescope astronomique dans la configuration Schmidt. Les deux images
1.2. Le syst`eme T´eramobile Impulsion fs Impulsion fs Impulsion chirpée (précompensée) Impulsion chirpée DVG DVG SANS précompensation AVEC précompensation
Fig. 1.11 – Mise en forme de l’impulsion
montrent que l’efficacit´e de g´en´eration de la lumi`ere blanche d´epend non seulement de la puissance initiale du faisceau mais aussi de l’arrangement des longueurs d’onde `a l’int´ e-rieur de l’impulsion. Sur la photo de gauche, l’impulsion ne fait que s’´etaler davantage au cours de la propagation alors que sur la photo de droite, la dispersion de vitesse de groupe de l’air rassemble l’impulsion au cours de la propagation, augmentant ainsi la g´en´eration de lumi`ere blanche.
Anticompensation de la dispersion 600 fs Pr´ecompensation de la dispersion 600 fs Lumi`ere blanche : bande 400-550 nm
Fig. 1.12 – Effet de la pr´ecompensation de la vitesse de groupe sur la g´en´eration de lumi`ere blanche.
La distance de recombinaison d´epend de la mise en forme temporelle initiale de l’im-pulsion et en augmentant la dur´ee d’impulsion et en profitant de la dispersion de vitesse de groupe de l’air, la pr´esence de filaments apr`es 2 km de propagation a pu ˆetre d´emontr´ee dans le cas de la propagation verticale [40] et horizontale [30]. Des simulations th´eoriques vont dans la mˆeme voie [41].
1.2.3 T´elescope d’´emission
Pour r´ealiser des exp´eriences avec diverses focalisations et divers diam`etres de faisceau, `
a la sortie du compresseur, un t´elescope d’´emission assure un contrˆole g´eom´etrique du faisceau (cf. fig 1.13). Il permet de choisir son diam`etre initial et ´eventuellement de le focaliser ou non. Il est constitu´e seulement de miroirs, de mani`ere `a pr´eserver toutes les caract´eristiques temporelles et spectrales de l’impulsion. De plus, le faisceau peut ˆetre ´emis verticalement ou horizontalement selon les exp´eriences effectu´ees.
1m
cc cx
entrée du faisceau
sortie du faisceau
Fig. 1.13 – T´elescope d’´emission
1.2.4 Salle de contrˆole
Le syst`eme T´eramobile dispose d’une salle de contrˆole qui sert de sas pour la ther-malisation de la salle laser et qui la prot`ege ´egalement des poussi`eres ext´erieures. Elle est ´equip´ee d’un syst`eme de d´etection LIDAR. Ce syst`eme est compos´e d’un t´elescope de 1200 mm de focale avec un miroir primaire de 400 mm de diam`etre. Il peut d´etecter le faisceau horizontalement ou verticalement. Un syst`eme de transport du faisceau permet d’imager le foyer du t´elescope sur la fente d’entr´ee d’un spectrom`etre (cf. Fig. 1.14).
Un syst`eme de d´etection LIDAR est ainsi joint au laser T´eramobile, rendant le sys-t`eme ind´ependant d’´equipement de d´etection ext´erieure. La mobilit´e du syst`eme laser T´eramobile a permis de profiter de grandes installations comme l’observatoire de Taute-nourg qui poss`ede le plus grand t´elescope d’Allemagne, ou encore de se rendre au Centre d’´Essais A´eronautiques de Toulouse pour utiliser leur installation de haute tension. Le syst`eme a mˆeme pu ˆetre transport´e aux ´Etats-Unis, au Langmuir Observatory pour tester le d´eclenchement de foudre au sommet du mont South Baldy.