Caractérisation temporelle des impulsions laser

Caractérisation temporelle des impulsions laser

Système laser femtoseconde

Comme nous l’avons dit ci-dessus, le système laser que nous utilisons est composé d’une chaîne laser femtoseconde amplifiée, d’un dispositif de mise en forme temporelle des impulsions et d’un système d’auto et de cross corrélation afin de caractériser cette mise en forme. Nous allons d’abord présenter la chaîne laser femtoseconde

Chaîne laser femtoseconde

La source laser femtoseconde utilisée lors de nos expériences est une chaîne laser développée par Thalès délivrant des impulsions d’environ 150 fs (de longueur d’onde centrée à 800 nm) avec une puissance maximum de 1.5 W à 1 kHz (soit au maximum 1.5 mJ par impulsion). Ce dispositif est composé de trois éléments principaux : – un oscillateur femtoseconde à blocage de mode Vitesse Duo commercialisé par Coherent fournissant des impulsions ultra-brèves (100 fs) de 1.6 nJ environ (λ = 800 nm) à une cadence de 80 MHz. – un laser de pompe YLF (Yttrium Lithium Fluoride) produit par Thalès délivrant des impulsions nanosecondes avec une puissance de 16 W à 1 kHz. – un amplificateur à deux étages (régénératif et multi-passages) de type Concerto commercialisé par Thalès. L’ensemble de la source laser femtoseconde est schématisé dans la figure 2.1. L’oscillateur est l’élément fondamental de la chaîne laser femtoseconde car il permet la concentration temporelle de l’énergie sur l’échelle ultra-brève. Cet oscillateur Vitesse est composé d’un milieu actif, un barreau de saphir dopé titane (T i : Saphir), pompé par un laser à diode de type Verdi. Le milieu de gain de ce dernier est un cristal de Gadoline Orthovanadate dopé Néodyme (N d : Y V O4) dont la bande d’émission est centrée autour de 1064 nm. Pour exciter le cristal T i : Saphir à la longueur d’onde de pompage optimale (λ = 532 nm), la seconde harmonique du faisceau du laser N d : Y V O4 est générée grace à un cristal doubleur (LBO). Afin d’atteindre une concentration de l’énergie sur l’échelle de temps femtoseconde, ce dispositif est basé sur le comportement non-linéaire de l’indice de réfraction du cristal T i : Saphir vis à vis de l’intensité du champ électromagnétique. En effet, à énergie constante, les impulsions les plus courtes sont les plus intenses et l’effet Kerr optique permet de concentrer spatialement la partie la plus intense du faisceau lors de son interaction avec le cristal. En adaptant la géométrie de la cavité résonnante, il est alors possible de moduler ses pertes afin de ne maintenir que le mode le plus intense. C’est le processus d’auto-blocage de modes. En pratique, un diaphragme placé dans la cavité du cristal T i : Saphir réalise la modulation des pertes de la cavité. L’oscillateur Vitesse génère ainsi des impulsions ultra-brèves d’environ 100 fs (λ = 800 nm) avec une puissance de 130 mW à 80 MHz (soit 1.6 nJ par impulsion et 16 kW crˆete). L’échelle de temps ultra-courte est ainsi atteinte, mais l’énergie par impulsion et la puissance crˆete restent limitées. L’énergie des impulsions ultra-brèves délivrées par l’oscillateur femtoseconde est augmentée afin d’atteindre le domaine du mJ, typique des applications d’ablation laser. L’ensemble formé par le laser de pompe nanoseconde Y LF et l’amplificateur à dérive de fréquence Concerto est alors utilisé pour élever l’énergie des impulsions. Néanmoins, des impulsions laser de 150 femtosecondes de quelques mJ correspondent à des puissances crˆetes de l’ordre 109 W à 1010 W. Or ces puissances crˆetes sont au-delà des seuils d’auto-focalisation et d’endommagement des milieux amplificateurs, imposant une méthode d’amplification spécifique développée par G. Mourou : la méthode d’amplification à dérive de fréquence [4]. Ce procédé consiste en l’amplification des impulsions femtosecondes dont les composantes fréquentielles ont été préalablement dispersées dans le temps (dérive de fréquence). Les impulsions ainsi dispersées concentrent la mˆeme énergie sur une échelle de temps plus longue réduisant la puissance crˆete jusqu’à des niveaux inférieurs aux seuils d’endommagement des composants optiques. Un premier réseau de diffraction est utilisé pour étirer les impulsions femtosecondes entrantes dans l’amplificateur répartissant l’énergie sur 0.1 à 1 ns. La lumière laser peut alors ˆetre manipulée et amplifiée sans risque pour l’architecture optique du système. L’amplification se déroule alors en deux étapes. Pour les deux cas, l’énergie nécessaire à l’inversion de population dans les milieux de gains est apportée par le faisceau du laser de pompe Y LF constituée d’impulsions de durée 7 à 8 ns et d’énergie 16 mJ à 1 kHz (de longueur d’onde λ = 532 nm). Dans un premier temps, un amplificateur multi-passages est utilisé. Il est formé d’une structure en forme de papillon centrée sur un cristal de T i : Saphir permettant plusieurs amplifications successives du faisceau sans l’utilisation d’une cavité résonnante (figure 2.2). La seconde étape d’amplification s’appuie sur un amplificateur régénératif permettant de piéger les impulsions au sein d’une cavité résonnante abritant un deuxième cristal de T i : Saphir. Contrairement à la méthode multi-passages pour laquelle les lieux d’entrée et de sortie du faisceau sont différents, la cavité ne possède ici qu’un seul point d’échange (lieux d’entrée et de sortie identiques) avec le reste du système laser. L’injection (respectivement l’éjection) des impulsions dans (respectivement hors de) la cavité est réalisée grˆace à la manipulation de la direction de la polarisation du faisceau par une cellule de Pockels (cristal de KDP auquel on applique une tension) associée à la présence d’un polariseur jouant le rˆole de porte pour le faisceau (figure 2.3). L’injection et l’éjection de la cavité régénérative sont synchronisées avec le pompage du cristal de T i : Saphir par le laser Y LF afin d’optimiser l’amplification. La gestion du timing est à ce stade gérée par le boîtier d’alimentation et de synchronisation MEDOX fabriqué par Thalès. 

Mise en forme temporelle des impulsions laser femtoseconde

Nos travaux visent en partie à mettre en corrélation l’évolution du comportement de l’émission optique du plasma d’ablation généré par une source laser femtoseconde avec les caractéristiques du faisceau et des impulsions, et en particulier avec la distribution temporelle du dépˆot d’énergie. Cet objectif nécessite un outil de contrˆole de cette distribution, c’est à dire de la forme temporelle des impulsions laser. Les développements de ce paragraphe sont largement inspirés des travaux de A.M. Wiener [112] ainsi que de M. Wollenhaupt, A. Assion et T. Baumert [113]. Les impulsions laser femtosecondes sont trop courtes pour pouvoir ˆetre mises en forme temporellement par des moyens mécaniques ou électroniques. Il est impératif d’utiliser des méthodes indirectes de modulation des impulsions. Nous avons opté pour une technique de filtrage spectral variable (filtrage de Fourier) utilisant un modulateur spatial de lumière (Spatial Light Moduator SLM) Jenoptik SLM-S640. Cet outil permet de réaliser une modulation de la phase des impulsions dans l’espace réciproque entraînant une mise en forme temporelle dans l’espace direct. En effet, dans l’espace direct on a : eout(t) = ein(t) ∗ h(t) = Z dt′ ein(t ′ ) h(t − t ′ ) (2.1) avec ein(t) et eout(t) les distributions temporelles des impulsions avant et après la mise en forme et h(t) la fonction de Green (réponse impulsionnelle) du filtrage. Pour le domaine fréquentiel, on peut écrire : Eout(ω) = Ein(ω)H(ω) (2.2) avec Ein(ω), Eout(ω) et H(ω) les transformées de Fourier de ein(t), eout(t) et h(t). H(ω) est la réponse fréquentielle du filtrage. En théorie, une forme temporelle arbitraire peut ˆetre obtenue en appliquant le filtrage fréquentiel correspondant : H(ω) = Z dt h(t) e −iωt (2.3) Afin d’appliquer le filtre fréquentiel, des réseaux de diffraction sont employés pour disperser et re-compresser le faisceau laser à mettre en forme. Nous utilisons une configuration de type « étireur 4-f » (figure 2.5). Le premier réseau disperse les composantes fréquentielles du faisceau laser incident qu’une lentille focalise dans le plan de Fourier. Une seconde lentille image alors le faisceau sur l’autre réseau qui re-compresse les impulsions. Ce dispositif permet de moduler indépendamment la phase et/ou l’amplitude de chaque composante fréquentielle en intercalant un masque spatial dans le plan de Fourier de transmission complexe M(x) (avec l’axe x parallèle au plan de Fourier). On obtient donc à la sortie du masque : Em(x, ω) = Ein(ω) e − (x−αω) 2 w2 0 M(x) (2.4) avec α la dispersion spatiale du faisceau et w0 le rayon du faisceau dans le plan de Fourier. Le masque spatial effectif et la modulation fréquentielle de l’impulsion sont reliées par : H(ω) =  2 πw2 0 1/2 Z dx M(x) e −2 (x−αω) 2 w2 0 (2.5) Le masque est produit par le modulateur spatial de lumière grˆace à 640 pixels de cristaux liquides formant une zone active de 63.7 mm sur 10 mm. Les cellules de cristaux liquides (épaisseur 10 µm, largeur 96.52 µm, hauteur 10 µm et espacement 3.05 µm) sont essentiellement formées par une couche de cristaux liquides en phase nématique encadrée par deux électrodes d’indium dopé à l’étain (ITO). En appliquant une tension U à travers les électrodes, on change la direction d’alignement des cristaux liquides et on modifie l’indice de réfraction de la cellule ∆n(U). Une cellule du SLM est représentée dans la figure 2.6. Il faut alors choisir un masque M(x) produisant la modulation souhaitée. Le dispositif que nous utilisons réalise la mise en forme temporelle des impulsions par modulation de la phase de l’impulsion seulement.