Extraction de lโรฉnergie
ย ย Le principe de lโamplification est le suivant : de lโรฉnergie est dรฉposรฉe (stockรฉe) dans un milieu amplificateur et elle est extraite par lโimpulsion lumineuse lors de l’interaction avec ce milieu. Lโรฉnergie stockรฉe, dans les verres dopรฉs au nรฉodyme, est de lโordre de trois cents joules par litre. Lโobtention dโรฉnergies trรจs รฉlevรฉes se fera donc en utilisant de grands volumes amplificateurs. Par ailleurs, la plus grande partie de lโรฉnergie stockรฉe devra รชtre extraite pour obtenir un bon rendement entre lโรฉnergie dรฉposรฉe et extraite. Le rรฉgime dโamplification est alors le rรฉgime de saturation dรฉcrit dans le modรจle de Frantz et Nodvik [1-1]. Il est atteint pour des fluences supรฉrieures ร la fluence de saturation du matรฉriau.ย Pour extraire le maximum dโรฉnergie, la fluence de lโimpulsion devra รชtre proche de la fluence de saturation du matรฉriau ; et la fluence de saturation du matรฉriau devra รชtre la plus grande possible. Les matรฉriaux possรฉdant une grande fluence de saturation sont les milieux solides tels que les verres dopรฉs au nรฉodyme ou les matรฉriaux cristallins comme le saphir dopรฉ au titane. Cependant, les chaรฎnes de puissance, utiles pour la mise en ลuvre des schรฉmas du type de lโignition rapide nรฉcessitent des matรฉriaux possรฉdant non seulement une grande fluence de saturation mais aussi rรฉalisables en grandes dimensions. Les matรฉriaux rรฉpondant ร ces deux critรจres sont les verres dopรฉs au nรฉodyme, possรฉdant une fluence de saturation de Sat F โ 4 โ 5 J/ cm et dont la dimension nโest pas limitรฉe (au moins sur le plan de la production). Nous รฉtudions lโamplification des impulsions dans ce type de matรฉriaux.
Solution : la technique CPA
ย ย La technique CPA permet lโamplification dโimpulsions courtes jusquโร des รฉnergies รฉlevรฉes (figure 1-2). En agissant sur la phase spectrale, il est possible de modifier le profil temporel et en particulier dโรฉtirer lโimpulsion. Elle consiste ร allonger temporellement lโimpulsion avant amplification. L’allongement temporel est rรฉalisรฉ en rรฉpartissant dans le temps les diffรฉrentes frรฉquences du spectre de l’impulsion. Nous pouvons alors amplifier lโimpulsion jusquโร saturation tout en maintenant lโรฉclairement bien en dessous du seuil de dommage des optiques. Le fait dโaugmenter la durรฉe des impulsions diminue dโautant lโรฉclairement lumineux. Puis nous comprimons lโimpulsion lumineuse. Cette technique permet de sโaffranchir du problรจme du dommage des optiques. Elle requiert la rรฉalisation de deux lignes dispersives de signe opposรฉ.
Dimensionnement du laser pรฉtawatt sur la LIL
ย ย Le concept dโallumage rapide pouvant une alternative pour rรฉaliser lโignition sur lโinstallation LMJ, il est intรฉressant dโenvisager lโamplification dโimpulsions ultra- courtes sur la LIL pour atteindre des rรฉgimes dโรฉclairement et de puissance trรจs importants : 1023 โ 1024 W/cm2 et lโexawatt. Les limites technologiques actuelles restreignent aujourdโhui notre ambition au rรฉgime pรฉtawatt. Les applications potentielles dโune telle chaรฎne laser nรฉcessitent des configurations de mise en forme temporelle et de focalisation trรจs diffรฉrentes de celles envisagรฉes pour la LIL dans sa configuration de base. Ces configurations ont des consรฉquences directes sur le choix de lโamplification et de la compression. Lโimplantation dโun systรจme ร impulsions courtes sur la LIL repose sur des transformations limitรฉes de lโinstallation afin de faciliter lโexploitation de la LIL et dโen rรฉduire le coup. Comme nous lโavons vu au premier chapitre, la technique CPA est nรฉcessaire pour atteindre ces niveaux dโรฉnergie.
Contraintes liรฉes ร lโutilisation de la LIL
ย ย Les contraintes liรฉes ร lโutilisation de la LIL sont de deux types : les milieux amplificateurs utilisรฉs et la place limitรฉe pour le caisson de compression. Les milieux ร gains utilisรฉs sur lโinstallation laser ne sont pas optimisรฉs pour lโamplification dโimpulsions ร spectre large dโautant plus quโun seul type de verre est utilisรฉ : le verre phosphate dopรฉ. Le rรฉtrรฉcissement spectral par le gain sera donc dโautant plus important par rapport aux autres chaรฎnes de puissance utilisant une prรฉamplification dans des cristaux de titane saphir et un mรฉlange de verre dans le reste de la chaรฎne. Lโinsertion dโun filtre dans lโamplificateur rรฉgรฉnรฉratif permettra de conserver la largeur spectrale des impulsions en sortie de lโรฉtage de prรฉamplification. Une simulation avec le code Mirรณ [2-2] montre que le rรฉtrรฉcissement spectral par le gain entre la sortie de lโallongeur et la sortie de la section amplificatrice est dโun facteur trois. Concernant le caisson de compression, la distance entre les rรฉseaux de compression est limitรฉe ร 6 m pour satisfaire des contraintes dโencombrement dans le hall dโexpรฉriences de la LIL. Les autres paramรจtres des rรฉseaux (densitรฉ de traits et angle dโincidence) รฉtant fixรฉs par les contraintes technologiques, nous sommes limitรฉs ร 0,5 ns pour la durรฉe de lโimpulsion que nous pourrons comprimer. Compte tenu du rรฉtrรฉcissement spectral lors de lโamplification, cette durรฉe correspond ร une durรฉe รฉtirรฉe de 1,5 ns. La distance entre les rรฉseaux de lโรฉtireur est alors de 10 m environ, pour une gรฉomรฉtrie ร quatre passages (comprenant deux rรฉseaux et un afocal). Les systรจmes allongeur et compresseur doivent รชtre conjuguรฉs pour permettre de comprimer au mieux lโimpulsion. Cependant leur rรฉalisation pratique est loin dโรชtre simple et nรฉcessite des prรฉcisions dโalignement extrรชmes [2-1]. Cโest pourquoi il sera nรฉcessaire dโinsรฉrer un systรจme de correction de phase spectrale pour permettre un contrรดle plus prรฉcis des impulsions comprimรฉes.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
I. LES MECANISMES PHYSIQUES GOUVERNANT LES IMPULSIONS ULTRA-INTENSES
I.1 FORMALISME UTILISE POUR DECRIRE UNE IMPULSION LASER COURTE
I.2 AMPLIFICATION DโUNE IMPULSION COURTE
I.3 PROPAGATION DโUNE IMPULSION COURTE ET INTENSE
II. CONTEXTE DE LโETUDE : UN LASER KILOJOULE PETAWATT SUR LA LIL
II.1 PRESENTATION DE LA LIL
II.2 DIMENSIONNEMENT DU LASER PETAWATT SUR LA LIL
II.3 CORRECTIONS DES PHASES SPECTRALE ET TEMPORELLE
II.4 METHODES DE CORRECTION ACTIVE DE PHASE
III. SYSTEME DE MESURE ABSOLUE DE LA PHASE SPECTRALE : DIMENSIONNEMENT DE LโAPPAREIL ET MISE EN ลUVRE EXPERIMENTALE
III.1 METHODES
III.2 INTERFEROMETRIE A DECALAGE
III.3 MISE EN ลUVRE EXPERIMENTALE DE LA MESURE
IV. ANALOGIE ENTRE LโOPTIQUE TRADITIONNELLE ET LโOPTIQUE ยซ TEMPORELLE ยป
IV.1 PRESENTATION DE LโANALOGIE
IV.2 ANALOGIE ENTRE LA DIFFRACTION DE FRESNEL ET LA DISPERSION QUADRATIQUE
IV.3 MODULATION DES PHASES SPATIALE ET TEMPORELLE
IV.4 CRITERES DE TOLERANCE SUR LES ABERRATIONS DU FRONT DโONDE ET LES DISTORSIONS DE LA PHASE SPECTRALE
V. MODULATION DE LA PHASE SPECTRALE : JUSTIFICATION THEORIQUE ET DESCRIPTION DES SCHEMAS EXPERIMENTAUX POUR LA VALIDATION EXPERIMENTALE DU CONCEPT
V.1 LE MODULATEUR DE PHASE
V.2 SCHEMAS EXPERIMENTAUX POUR LA DEMONSTRATION EXPERIMENTALE DU CONCEPT
VI. MESURES EXPERIMENTALES DE LA PHASE ET DE LA MODULATION, ET CORRECTION
VI.1 MESURE ABSOLUE DE LA PHASE SPECTRALE
VI.2 VALIDATION EXPERIMENTALE DU MODULATEUR
VI.3 CORRECTION DE LA PHASE SPECTRALE
VII. CORRECTION DE LA PHASE NON LINEAIRE PAR MODULATION DE LA PHASEย TEMPORELLE DANS LA TECHNIQUE CPA
VII.1 INFLUENCE DES EFFETS NON LINEAIRES DANS LES DOMAINES SPATIAL ET TEMPOREL
VII.2 CORRECTION DE LA PHASE NON LINEAIRE TEMPORELLE
CONCLUSION
ANNEXES
A1. NOTATIONS
A2. SIGNAL MESURE PAR LE SPECTROMETRE EN SORTIE DE LA MESURE ABSOLUE DE LA PHASE SPECTRALE
A3. APPROXIMATION DโUNE DIFFERENCE EN DERIVEE DE PHASE SPECTRALE
A4. INFLUENCE DE LA RESOLUTION DU SPECTROMETRE SUR LโANALYSE DU SYSTEME DE FRANGES OBTENUS
A5. ANALOGIE ENTRE LA DIFFRACTION DE FRESNEL ET LA DISPERSION QUADRATIQUE
A6. ERREUR PHASE STATIONNAIRE
A7. PHASES SPECTRALE ET TEMPORELLE DโUN ETIREUR PARFAIT
BIBLIOGRAPHIE.
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