Les mecanismes physiques gouvernant les impulsions ultra-intenses

Dès leur invention, les lasers sont devenus des outils indispensables dans tous les domaines. Ils interviennent, en effet, de la physique fondamentale jusqu’aux applications scientifiques, industrielles, médicales, militaires,…. Depuis, la puissance délivrée par les lasers n’a cessé d’augmenter. Ce n’est que vers le milieu des années 80 que la puissance des impulsions ultra brèves a pu être portée à des valeurs considérables par une nouvelle technique d’amplification élargissant du même coup le domaine d’application du laser à la physique relativiste. De plus, la conjugaison de l’ultra bref et des très hautes puissances a permis d’envisager la conception de nouveaux schémas dans le domaine de la fusion par confinement inertiel.

Cadre général de l’étude 

Pour engendrer de nouveaux régimes d’interaction laser-matière [1], il est nécessaire de créer des impulsions lasers d’éclairement plus intense. Afin d’atteindre ces éclairements, il faut pouvoir focaliser sur une dimension la plus petite possible le maximum de puissance. L’augmentation de la puissance du laser depuis sa découverte dans les années soixante après une progression fulgurante a connu un palier de plusieurs décennies. En effet, l’augmentation considérable de la puissance est la source de nombreux effets non-linéaires qui conduisent inévitablement à la détérioration des composants optiques subissant l’irradiation de ce type d’impulsions. Ce n’est que vers 1985 [2], que la mise en œuvre d’un nouveau procédé, consistant à manipuler l’impulsion temporellement (la technique d’amplification à dérive de fréquence, CPA, acronyme anglais), issu de la technologie radar [3], a été proposé et démontré. Ce nouveau procédé consiste à étirer temporellement l’impulsion avant son amplification pour diminuer la puissance crête. Puis elle est comprimée temporellement après amplification.

Ces dernières années, le développement d’oscillateurs engendrant des durées d’impulsions de plus en plus courtes, combiné à la technique de l’amplification à dérive de fréquence, a permis d’obtenir des puissances de quelques centaines de térawatts. Ces puissances sont obtenues dans deux régimes différents : impulsions femtosecondes d’un joule ou impulsions picosecondes d’une centaine de joules [4, 5]. C’est dans ce deuxième régime que se situent ces travaux de thèse. La prochaine génération de chaîne de puissance du Commissariat à l’Énergie Atomique devrait produire des impulsions ayant une énergie de plusieurs kilojoules soit un potentiel en puissance de l’ordre de la dizaine de pétawatts. Cette nouvelle technologie pourrait s’implanter sur la Ligne d’Intégration Laser (LIL) au CESTA (Centre d’Études Scientifiques et Techniques d’Aquitaine) à Bordeaux.

En raison des futures applications de cette chaîne de puissance (allumeur rapide pour la fusion inertielle, génération d’un laser X, …), c’est la recherche d’énergie maximale qui est privilégiée plutôt que celle d’une durée des impulsions plus courtes. Pour obtenir ces énergies (1 kJ), les amplificateurs sont des verres dopés au néodyme. Ces verres pouvant être réalisés en grande dimension pour stocker beaucoup d’énergie, ce sont ceux qui ont été choisis pour réaliser la LIL et le Laser MégaJoule (LMJ). La longueur d’onde centrale se situe alors autour de 1,053 µm pour des spectres limités en largeur à quelques nanomètres. La plus petite durée des impulsions délivrées est de quelques centaines de femtosecondes. Ces caractéristiques des impulsions sont la source des originalités des travaux effectués et elles engendrent des choix différents.

L’éclairement est par définition une densité de puissance par unité de surface. L’objectif à réaliser est donc de focaliser le maximum d’énergie sur la plus petite surface possible et cela en un minimum de temps. Ainsi, pour une même énergie le profil spatial du faisceau sur cible est régi par sa phase spatiale avant focalisation. De même, la forme temporelle d’une impulsion est gouvernée par la phase spectrale. L’augmentation des performances d’une chaîne de puissance peut donc s’effectuer suivant les trois axes suivants :
• historiquement par l’amélioration des composants optiques, notamment en terme de planéité et de tenue au flux,
• ensuite par l’amélioration du profil spatial du faisceau ; cette mise en forme de profil permet d’adapter le profil du faisceau au profil du gain du matériau amplificateur,
• puis par la correction des aberrations de la phase ; cette correction de la phase spatiale a été rendue possible par la mise au point de systèmes de mesure de phase, puis de systèmes de correction. L’amélioration de la phase spatiale permet de focaliser une plus grande partie de l’énergie dans la tache focale.

Enfin nous montrons qu’une transposition de ces techniques (mesure et correction de la phase spatiale) dans le domaine temporel permettra aussi une amélioration des performances d’une chaîne de puissance. Les contrôles de phase sont rendus possible par la faible durée des impulsions auxquelles correspondent des spectres larges. L’analogie existant entre le domaine spatial et le domaine temporel permet de bénéficier de tout l’acquis du domaine spatial en transposant des techniques bien connues en optique classique vers des applications au domaine temporel, notamment les critères sur les tolérances acceptables sur les aberrations de la phase pour focaliser « au mieux » le faisceau.

Dans le cadre du laser PW, les différences majeures avec les lasers de puissance (TW) existants sont la durée de l’impulsion dans la chaîne et le déphasage apporté par les effets non linéaires. En effet l’impulsion doit être étirée jusqu’à quelques nanosecondes pour permettre l’amplification jusqu’à la dizaine de kilojoules. Nous avons alors besoin d’une nouvelle génération d’allongeur. Les lois de phase apportées par l’allongeur et le compresseur ne seront alors plus compensées. Pour résoudre ce problème, nous introduisons des corrections de la phase spectrale de types statique et dynamique. Par conséquent la mesure de la phase spectrale de l’impulsion absolue devient essentielle. Cette mesure devra pouvoir se faire en différents points de la chaîne pour des impulsions comprimées. Par ailleurs, les déphasages apportés par les effets non linéaires sont critiques pour des installations kilojoule/pétawatt. La solution généralement utilisée sur les installations CPA (pour limiter les effets non linéaires) est l’augmentation de la durée étirée. Cette solution nécessite une augmentation de la distance entre les réseaux de compression et une augmentation de la taille des réseaux. Pour la chaîne PW de la LIL, elle ne peut être retenue, car le point de fonctionnement nominal (1 kJ et φB = 1,3 rad ), nous donne la plus grande durée de l’impulsion dans la chaîne réalisable compte tenu de l’encombrement disponible  pour le caisson de compression et de la technologie actuelle des réseaux. Les seules solutions qui peuvent nous permettre d’obtenir des puissances plus importantes (la dizaine de pétawatts) sont de pouvoir corriger les effets non linéaires, avant compression de l’impulsion, pour éviter le transfert des modulations de phase en modulation d’amplitude. Une solution est un réglage du compresseur différent pour chaque tir (réglage qui est différent selon l’énergie de sortie de la chaîne). Cette solution est difficile à mettre en œuvre expérimentalement compte tenu de la dimension des réseaux (1 m). Ainsi, les performances sont aujourd’hui limitées par les effets non linéaires. Une technique originale de correction de la phase temporelle devrait permettre de limiter les effets non linéaires et donc d’améliorer les performances de la chaîne laser. Le concept de correction de phase temporelle présenté dans ce mémoire est particulièrement bien adapté à ce type d’installation laser où les impulsions sont fortement étirées temporellement.

Table des matières

INTRODUCTION
I. LES MECANISMES PHYSIQUES GOUVERNANT LES IMPULSIONS ULTRA-INTENSES
I.1 FORMALISME UTILISE POUR DECRIRE UNE IMPULSION LASER COURTE
I.2 AMPLIFICATION D’UNE IMPULSION COURTE
I.3 PROPAGATION D’UNE IMPULSION COURTE ET INTENSE
II. CONTEXTE DE L’ETUDE : 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 L’APPAREIL ET MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE
III.1 METHODES
III.2 INTERFEROMETRIE A DECALAGE
III.3 MISE EN ŒUVRE EXPERIMENTALE DE LA MESURE
IV. ANALOGIE ENTRE L’OPTIQUE TRADITIONNELLE ET L’OPTIQUE « TEMPORELLE »
IV.1 PRESENTATION DE L’ANALOGIE
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 D’ONDE 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 PHASE 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

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