Source de rayonnement IR : Le laser impulsionnel Titane : Saphir

Actuellement la technologie liée aux sources de rayonnement IR femtoseconde est très bien connue et repose sur des systèmes utilisant des cristaux de Titane Saphir. Ces chaînes laser, devenues très courantes dans les laboratoires de recherche, permettent de délivrer des impulsions infrarouges (IR) très intenses (pouvant atteindre des éclairements de 10²⁰W/cm²). Elles permettent également de délivrer des impulsions brèves pouvant aller jusqu’à des durées inférieures à 5 fs [Nisoli et al., 1997]. Ces sources ont démontré à plusieurs reprises leur capacité à sonder les phénomènes ultra rapides [Zewail et al., 2000] et ont en parallèle permis le développement de techniques de diagnostic temporel et spectral tel que le SPIDER (Spectral Interferometry for Direct Electric Field Reconstruction). Grâce à ces sources IR, les chercheurs ont pu mettre en évidence des phénomènes non linéaires tels que l’ionisation multiphotonique ou l’ionisation au-dessus du seuil (ATI: Above Threshold Ionisation). La découverte du phénomène de la génération d’harmoniques d’ordre élevé [McPherson et al., 1987 ; Ferray et al., 1988] a ouvert la voix à l’utilisation de ces sources IR primaires pour l’obtention de sources VUV secondaires. Les études suivant cette découverte, ont permis de mieux connaître le processus de génération ainsi que les caractéristiques du rayonnement VUV de cette nouvelle source : Le spectre associé à cette source se présente sous la forme d’un peigne d’harmoniques impairs du fondamental dont les longueurs d’onde (énergie de photon) peuvent atteindre 1 nm (1 keV)[ Seres et al., 2005]. Cette large gamme spectrale suppose que la source peut potentiellement produire des impulsions ultra-brèves [Farkas et al., (1992), Harris et al., (1993)]. De plus il a été démontré qu’elle possède une bonne cohérence spatiale et temporelle [Ditmire et al., (1996) ; Bellini et al., (1998), Salières et al., (1995), Le Deroff et al., (2000)].

Source de rayonnement IR : Le laser impulsionnel Titane : Saphir

Au cours de ma thèse, j’ai eu l’opportunité d’utiliser deux systèmes lasers femtosecondes à haut taux de répétition (1 kHz): le laser du CELIA désormais baptisé AURORE et le laser du LLC (Lund Laser Center). Ces systèmes laser produisent des impulsions de 35 fs (1fs =10⁻¹⁵ s) dans l’Infrarouge (IR) à des énergies respectives de 6 mJ et 2 mJ. Ils fonctionnent sur le principe d’amplification à dérive de fréquence utilisant des cristaux de Saphir dopés au Titane.

Systèmes laser du CELIA et du LLC

La chaîne laser 1 kHz du CELIA, opérationnelle depuis 1999, a été développée par Vincent Bagnoud au cours de son travail de thèse [1]. Elle fournit actuellement aux utilisateurs une source de rayonnement IR (800 nm) dans le régime femtoseconde. Ce dispositif est utilisé au CELIA pour deux thématiques de recherche :

– La génération d’harmoniques d’ordres élevés et leurs applications.
– La production de rayonnement X par plasmas sur cible solide ou jet d’agrégat et leurs applications.

L’oscillateur de cette chaîne a été développé au CELIA et est pompé par un laser Millenia à 527 nm. Cet oscillateur fonctionne en mode impulsionnel grâce au blocage de mode par « lentille à effet Kerr ». Pour pouvoir disposer en sortie de chaîne laser d’éclairements de 10¹⁴ à 10¹⁷ W/cm2 compatibles avec l’observation de processus d’interaction en champ fort, on souhaite amplifier l’énergie de ces impulsions jusqu’à la dizaine de mJ. Afin d’éviter les problèmes d’endommagement des optiques qui surviendraient lors de l’amplification d’impulsions courtes, on a recours à la technique d’amplification à dérive de fréquence [2]. La cadence de 1 kHz en sortie de chaîne laser est imposée par le taux de répétition des lasers de pompe YLF. Concrètement, les impulsions sont d’abord étirées temporellement jusqu’à 300 ps (1ps=10⁻¹² s) dans un étireur à réseau de type Öffner. Ces impulsions sont ensuite amplifiées à une énergie de 700 µJ dans un amplificateur régénératif. Des cellules de Pockels gèrent l’injection et l’extraction des impulsions dans l’amplificateur régénératif ainsi que le nettoyage du train d’impulsions pour garantir un bon contraste à l’échelle nanoseconde. L’amplification se poursuit ensuite dans deux et trois amplificateurs multi-passages pour les sorties basses et hautes énergies respectivement. Après compression de ces impulsions, assurée par un compresseur à réseaux plan, nous disposons d’impulsions de 35 fs à 2 mJ (ligne basse énergie) et 6 mJ (ligne haute énergie). La chaîne laser du Lund Laser Center, utilisée dans ce travail, est basée sur le même principe qu’Aurore. Elle présente cependant une seule sortie, équivalente à la ligne basse énergie de Aurore. Elle délivre à 1 kHz des impulsions de ~35 fs à 815 nm avec une énergie totale par impulsion de 2 mJ. En raison de la largeur spectrale du gain des cristaux de titane-saphir, en pratique la durée des impulsions en sortie de chaîne laser est limitée à 20 fs. Si l’on veut disposer d’impulsions plus courtes (sub-10fs) il faut développer un dispositif en sortie de chaîne laser qui permette d’élargir le spectre des impulsions et de les comprimer.

Génération d’impulsions sub-10fs : La postcompression

La génération efficace d’implusions XUV ultracourtes, permettant d’étudier des processus ultra-rapides, nécessite d’abord la production d’impulsions IR d’une durée inférieure à 10 fs et d’une énergie de quelques centaines de µJ. Les impulsions IR les plus courtes jamais produites ont une durée de 3,8 fs avec une énergie par impulsion de quelques µJ [3, 4]. Ces impulsions ultra-brèves restent cependant limitées en énergie. Au CELIA, nous avons eu besoin de produire des impulsions sub-10 fs pour générer des harmoniques d’ordres élevés. Nous avons donc mis en oeuvre un dispositif basé sur la technique de « post compression » développée par le groupe du Pr. M. Nisoli au Politechnico di Milano [3,4,5], qui peut être utilisé aussi bien en sortie de ligne basse énergie qu’en sortie de ligne haute énergie du laser Aurore. Cette compression est réalisée via un élargissement spectral par automodulation de phase dans une fibre creuse remplie de gaz rare, associée à une série de miroirs à dérive de fréquence négative (miroirs « chirpés»).

L’automodulation de phase permet d’élargir le spectre en créant des fréquences de part et d’autre de la fréquence centrale. On choisit pour cela de réaliser cet élargissement spectral dans les gaz rares car ils présentent une réponse instantanée de l’effet Kerr. De plus, leur éclairement de saturation élevé (10¹⁴ -10¹⁵ W.cm-2 ) permet d’injecter dans le dispositif des énergies de plusieurs millijoules. Pour produire des impulsions sub-10 fs, on utilise une fibre creuse (longueur et diamètre interne) pour exploiter l’effet de guidage nécessaire à l’obtention d’un élargissement spectral homogène supérieur à 100 nm. Pour expliquer cette technique, nous allons donc nous intéresser aux modes de propagation d’une impulsion laser dans une fibre creuse remplie de gaz rare ainsi qu’aux processus ayant lieu lors de cette propagation.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
PARTIE I: SOURCES DE RAYONNEMENT
Chapitre 1 : Source de rayonnement IR : Le laser impulsionnel Titane : Saphir
1.1 Système laser du CELIA et du LLC
1.2 Génération d’impulsions sub-10fs : La post-compression
1.2.1 Propagation d’une impulsion laser dans une fibre creuse
1.2.2 Post -Compression d’impulsions en régime sub-10fs : principe
1.2.3 Post -Compression d’impulsions en régime sub-10fs : résultats expérimentaux
1.3 Conclusion et perspectives
Chapitre 2: Source de rayonnement VUV : La génération d’harmoniques d’ordre élevé.
2.1 Génération d’harmoniques d’ordre élevé
2.1.1 Caractéristiques principales du rayonnement harmonique VUV
2.1.2 Principe expérimental de la génération d’harmoniques d’ordre élevé
2.2 Modèle semi classique : Aspect microscopique
2.2.1 Régimes d’ionisation en présence d’un champ laser
2.2.2 Description du modèle
2.3 Accord de phase : Aspect macroscopique
2.3.1 Principe de l’accord de phase
2.3.2 Influence des densités atomiques et électronique
2.3.3 Distribution des vecteurs d’onde et réalisation de la condition d‘accord de phase
2.3.4 Influence de l’absorption
2.4 Optimisation expérimentale des d’harmoniques d’ordre élevé au CELIA
2.4.1 Dispositif expérimental de génération et de détection harmonique
2.4.2 Paramètre d’optimisation : La pression
2.4.3 Paramètre d’optimisation: la position du foyer dans le gaz
2.5 Conclusion
PARTIE II: CONFINEMENT TEMPOREL DE LA GENERATION D’HARMONIQUE D’ORDRE ELEVE
Chapitre 1 : Confinement temporel du rayonnement VUV harmonique
1.1 Génération d’harmoniques d’ordre élevé et degré d’ellipticité du fondamental
1.2 Confinement temporel de la génération d’harmoniques et concept de porte temporelle d’ellipticité
1.3 Technique de création de la porte d’ellipticité
1.4 Association de lames quart d’onde au CELIA
1.4.1 Lame n°1 : Lame quart d’onde d’ordre multiple
1.4.2 Lame n°2: Lame quart d’onde d’ordre zéro
1.4.3 Définition de la durée de la porte d’ellipticité
1.4.4 Trajectoires électroniques
1.5 Conclusion
Chapitre 2 : Études expérimentales du confinement temporel VUV par porte d’ellipticité
État de l’art
2.1 Étude de l’influence de porte d’ellipticité dans le domaine spectral
2.1.1 Dispositif expérimental
2.1.2 Observation spectrale du confinement harmonique
2.2 Étude de l’influence de la porte d’ellipticité dans le domaine temporel
2.2.1 Technique de corrélation croisée à deux couleurs
2.2.2 Dispositif expérimental
2.2.3 Mesure du confinement temporel
2.3 Mesure de la durée de la porte d’ellipticité
2.3.1 Dispositif expérimental
2.3.2 Mesure de τG en configuration porte étroite
2.4 Conclusion
Chapitre 3 : Vers une unique impulsion VUV attoseconde
3.1 Association des techniques de porte d’ellipticité et de post-compression
3.1.1 Dispositif expérimental
3.1.2 Expérience τ0=9 fs – δτ’=15,32 fs
3.2 Conclusion
PARTIE III: CARACTERISATION TEMPORELLE D’IMPULSIONS VUV ATTOSECONDES
Chapitre 1 : Technique de reconstruction du train d’impulsions VUV attosecondes
1.1 Introduction
1.2 Principe de la technique RABITT
1.3 Calcul de la différence de phase atomique! »at,q+1
1.4 Conclusion
Chapitre 2 :Train d’impulsions VUV attosecondes expérimentaux
2.1 Train attoseconde généré par une impulsion IR laser
2.1.1 Dispositif expérimental: SPACE RABITT
2.1.2 Reconstruction du profil temporel attoseconde
2.1.3 Conclusion
2.2 Train généré par une impulsion IR post-comprimée
2.2.1 Dispositif expérimental
2.2.2 Reconstruction du profil temporel attoseconde
2.3 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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