Dispositifs de contrôle du contraste et des fluctuations des impulsions ultrabrèves utilisant des photoconducteurs

Dans le système de la caméra à balayage de fente étudié précédemment, nous avons entre aperçu certains problèmes expérimentaux liés à ce que nous avons appelé le piédestal d’ASE, c’est à dire, l’émission spontanée amplifiée précédant l’impulsion. L’énergie optique contenue dans ce piédestal n’est pas seulement gênante pour la synchronisation des caméras à balayage de fente mais intervient dans toutes les interactions de ce type de laser avec la matière. Dans la plupart des cas, l’intérêt des lasers femtosecondes est d’exciter très rapidement avec des puissances instantanées colossales la matière. L’interaction est complètement modifiée si la matière est préalablement excitée par de la lumière à niveau de puissance un peu moins élevé (celle contenue dans le piédestal). Par exemple, dans l’interaction d’une impulsion laser ultracourte avec une cible solide, le piédestal peut être d’énergie suffisante pour générer un plasma, et donc l’impulsion laser principale n’interagit plus avec le solide simple. Les dispositifs présentés dans cette partie sont des exemples d’applications des photoconducteurs aux lasers femtosecondes, en particulier aux deux principaux problèmes des chaînes femtosecondes amplifiées que sont le contraste en énergie due à l’émission spontanée amplifiée (ASE) et le problème des fluctuations en énergie coup à coup des lasers. Ce sont des adaptations des photoconducteurs aux cellules de Pockels pour améliorer le contraste et la stabilité en énergie.

A Nettoyeur de pré-impulsion et de piédestal d’émission spontanée amplifiée (ASE) par une cellule de Pockels ultrarapide

La figure 4.1 est schématique et permet simplement d’identifier les différents causes de la détérioration du contraste. Les délais représentés ne tiennent pas compte de la propagation de la lumière et des allers-retours dans la cavité régénérative (environ 20 tours). La figure montre que les problèmes de pré impulsion(s) sont liés aux fuites du « pulse picker » et de la cellule d’injection ( dont les fonctions sont souvent réalisées par une seule et même cellule de Pockels). Le piédestal d’ASE provient de la fluorescence amplifiée qui est autour de l’impulsion. La durée du piédestal d’ASE est en général lié à la fenêtre temporelle de la cellule de Pockels d’éjection. La durée du piédestal est souvent d’environ 5ns. Dans beaucoup de systèmes, l’impulsion principale reste dans la cavité régénérative pour environ une vingtaine d’allers-retours. Chaque tour représente temporellement environ 10ns c’est à dire très proche de la période de répétition de l’oscillateur femtoseconde. Ainsi après un tour dans la cavité, une pré ou post impulsion peut s’incorporer à cause de la fuite del’ensemble « pulse picker »/cellule d’injection. Cette pré ou post impulsion peut alors être très proche de l’impulsion suivant l’écart temporel entre un tour de cavité et le taux de répétition de l’oscillateur femtoseconde. L’écart typique est de l’ordre de la centaine de picosecondes.

 Dans le cadre du contrat européen SHARP (« Suppression over High dynamic range of Ase at the Rising edge of ultra-intense femtosecond Pulses », administré par le Laboratoire d’Optique Appliquée), plusieurs solutions d’amélioration du contraste ont été envisagées dont l’utilisation de cellule de Pockels ultra-rapide. Le principe de filtrage rapide et le gain attendu sur le contraste sont présentés dans la première partie. Ensuite la description des systèmes existants, de leurs problèmes d’utilisation et de leurs réalisations précédera les dispositifs envisagés. Les études théoriques permettront de comprendre le choix de la conception du prototype dont les résultats expérimentaux sont ensuite présentés. Pour nettoyer l’impulsion, il faut lui retirer la partie d’énergie optique se trouvant devant elle. L’intérêt de la technique utilisant une cellule de Pockels ultrarapide est de s’insérer simplement dans la chaîne laser, sans pertes importantes et sans altérer la stabilité coup à coup du laser. Le système de nettoyage doit être implanté après l’amplificateur régénératif (ou multipassage). Dans le cas de très gros laser du type 100TW, l’amplification est assurée par plusieurs étages d’amplification. L’étage responsable de la plus grande détérioration du contraste est le premier étage. Le filtrage du signal doit être effectué à ce niveau. Le signal à filtrer est une impulsion d’énergie environ 1mJ étiré à 300ps ayant une largeur à mi-hauteur d’environ 0.5cm. La fluence du signal est donc d’environ 10MW/cm² ce qui ne pose pas de problème de tenue au flux pour la cellule.