La focalisation des harmoniques

Ce dernier chapitre est consacré à la focalisation des faisceaux harmoniques, étape capitale en vue d’atteindre des éclairements intéressants pour les applications en optique non linéaire dans le domaine XUV. Des faisceaux de rayonnement XUV issus de la génération d’harmoniques ont déjà été focalisés pour observer des phénomènes d’ionisation multiphotonique de gaz rares par exemple [1], [2]. Cependant, comme nous le verrons, les problèmes technologiques posés par la focalisation du rayonnement XUV sont très importants, ce qui explique que la caractérisation précise de la taille de la zone focale d’un faisceau harmonique a été réalisée seulement récemment. Des expériences de focalisation du rayonnement harmonique ont déjà été réalisées par les équipes du CEA-Saclay [3] et de Vienne [4] durant l’année 2000. Pour la référence [3], l’optique de focalisation est une lentille de Bragg-Fresnel multicouche qui présente l’avantage d’une bonne réflectivité pour un angle d’incidence fixé par les caractéristiques de l’optique multicouche, en contrepartie, les impulsions se verront étalées temporellement par diffraction. De plus, chacun des ordres harmoniques compris dans la bande passante de la lentille aura un foyer distinct des ordres contigus. Ces propriétés sont intéressantes dans le cas d’expériences nécessitant une grande finesse spectrale de la source, mais peuvent considérablement diminuer les intensités maximales atteignables en un point cible. L’intensité évaluée après focalisation de 70 % du rayonnement compris dans l’harmonique 37 générée dans le néon sur une tache de 1,2 microns est de 5.108 W/cm2. Pour le cas de l’harmonique 21 générée dans l’argon, donc plus énergétique, l’intensité estimée au foyer est de 2.1011 W/cm2.  Nos choix technologiques sont très différents et répondent à l’objectif d’atteindre des intensités focalisées plus importantes. Notre optique de focalisation étant un miroir torique essentiellement achromatique, nous focalisons tous les ordres harmoniques présents dans le spectre en un même point, sans étalement temporel des impulsions. On peut même raisonnablement concevoir que des ordres harmoniques consécutifs interfèrent constructivement dans le domaine spectral pour produire des trains d’impulsions encore plus courts, de l’ordre de la centaine d’attosecondes, comme cela a été démontré dans l’expérience de l’équipe de P. Agostini [5] sur l’installation laser de la salle rouge du LOA où était également utilisé un miroir torique pour focaliser les harmoniques. Dans une première partie, nous rappellerons les propriétés géométriques et optiques des miroirs toriques. Nous aborderons dans une seconde partie la caractérisation de la zone focale des harmoniques pour conclure ensuite sur l’estimation des intensités réellement atteintes dans nos conditions expérimentales.

Propriétés du miroir torique utilisé pour focaliser les harmoniques

La réalisation et l’utilisation d’optiques adaptées au rayonnement XUV est très délicate en raison de nombreux problèmes liés à la longueur d’onde considérée. Tout d’abord, l’utilisation d’optiques en transmission, telles que les lentilles par exemple, est rendue impossible par la forte absorption des composés usuels à ces longueurs d’onde. Les optiques en réflexion doivent quant à elles être utilisées en incidence quasi rasante pour obtenir des réflectivités acceptables : elles sont de l’ordre de 70 à 90 % pour des métaux comme l’or et le platine. Enfin, la longueur d’onde étant plus faible que celles des lasers couramment utilisés (30 nm contre 800nm), la qualité de surface des optiques doit être plus importante : les défauts potentiels sont en effet mesurés par rapport à la longueur d’onde utilisée. On comprend alors le prix très élevé de ces optiques adaptées aux harmoniques et au rayonnement XUV en général. Il est également important de préciser que cette gamme spectrale exige de travailler entièrement sous vide pour éviter l’absorption du rayonnement par l’air ambiant, ce qui rend les réglages nettement plus délicats. Nous avons choisi de caractériser la zone focale d’un faisceau harmonique focalisé par un miroir torique recouvert de platine. Ce miroir nous a été prêté par l’équipe d’optique XUV du Laboratoire d’Interaction du rayonnement X Avec la Matière (LIXAM) d’Orsay et était utilisé précédemment sur le rayonnement synchrotron. Ce type de miroir présente l’avantage sur les miroirs sphériques de focaliser le rayonnement dans deux directions donc de réduire la surface du foyer.  Un miroir torique est en fait l’association de deux surfaces focalisantes correspondant à deux plans d’incidence perpendiculaires. Elles sont caractérisées par deux rayons de courbure distincts (r,R) qui peuvent être très différents l’un de l’autre. Chacune de ces surfaces est localement assimilable à un miroir sphérique et focalise le rayonnement dans une direction. Pour un faisceau incident quelconque sur le miroir, l’image correspondant au petit rayon de courbure n’a en général aucune raison d’être confondue avec l’image correspondant au grand rayon de courbure. Si l’angle d’incidence n’est pas réglé très précisément, on observe deux foyers successifs, appelés foyers sagittal et tangentiel, comme le montre la figure suivante (7.1).