Optimisation expérimentale des flux de photons harmoniques en géométrie longue focale

Ce chapitre présente le travail réalisé en vue de maximiser les flux de photons harmoniques dans différents gaz rares en jouant sur les paramètres qui influencent la génération d’harmoniques et l’accord de phase, comme la pression, la longueur du milieu, la position cellule-foyer, la géométrie focale du laser etc. Une attention toute particulière a été apportée à la calibration en absolu du détecteur, afin d’estimer le nombre de photons produits pour en déduire finalement des efficacités de conversion fiables qui permettent de souligner l’intérêt de la configuration longue focale permise par le progrès des technologies laser : hautes cadences, haute énergie et faible durée d’impulsion. Ces données chiffrées sont alors utilisables pour des comparaisons avec d’autres configurations de génération d’harmoniques telles que celles utilisant les capillaires. Dans une première partie, nous décrirons l’installation laser infrarouge en nous attachant à la description des caractéristiques laser les plus importantes pour la génération d’harmoniques. Nous présenterons dans une deuxième partie notre montage expérimental pour la source harmonique et nous conclurons sur les meilleures efficacités de conversion obtenues, en les comparant à celles d’autres équipes travaillant sur la même thématique. On justifiera ces valeurs expérimentales dans le chapitre suivant après avoir posé le cadre de compréhension générale de la génération d’harmoniques.

L’installation laser de la « salle rouge » du LOA, couramment utilisée pour la génération d’harmoniques, est un système entièrement basé sur des cristaux de saphir dopé au titane (Ti:Sa) et utilisant la technique d’amplification à dérive de fréquences (CPA pour Chirped Pulse Amplification) [1]. Il délivre des impulsions de 30 fs environ à une longueur d’onde de 800 nm et une cadence de 1kHz [2]. Cette cadence est particulièrement bien adaptée à la génération d’harmoniques. À 30 fs, des impulsions de quelques millijoules suffisent pour générer efficacement des harmoniques, ce qui permet ces cadences relativement élevées. Le flux de photons harmoniques moyen par seconde est alors augmenté de façon simple par rapport aux lasers de cadence plus faibles. Dans le cadre de nos expériences, l’énergie par impulsion varie de 4 à 7 mJ et le diamètre du faisceau, parallèle en sortie de laser, mesuré au sens des faisceaux gaussiens (1/ e2 de l’intensité maximale) est de 22 mm, soit un éclairement d’environ 2mJ/cm2. Dans cette configuration, les intensités laser atteintes restent suffisamment modestes pour permettre de travailler dans l’air, ce qui facilite considérablement les réglages. Les choix technologiques faits sur cette chaîne laser ont des conséquences sur l’efficacité de la génération d’harmoniques. D’abord, celle-ci, en tant qu’effet hautement non linéaire, est très sensible à l’intensité crête atteinte par l’impulsion, intensité elle-même inversement proportionnelle à la durée d’impulsion à énergie fixée. Nous avons également remarqué l’importance de la qualité du contraste de l’impulsion laser, mesuré entre le pic principal et le pied de l’impulsion. En effet, des impulsions parasites d’intensité suffisante pour provoquer une ionisation partielle du milieu gazeux, sans pour autant générer efficacement des harmoniques, peuvent induire des effets complexes de propagation et perturber l’accord de phase au passage de l’impulsion principale (voir chapitre 3). Enfin l’éclairement attendu au foyer du laser dépend fortement de la régularité du front de phase spatiale du faisceau. Nous présentons à présent les différents éléments constituant la chaîne laser et pouvant influencer la génération d’harmoniques. La figure (2.2) montre un schéma de principe de l’installation laser de la salle rouge du LOA. Le premier élément de la chaîne laser est constitué par l’oscillateur, qui délivre un train d’impulsions de quelques nJ de durée 15 femtosecondes à très haute cadence (100 MHz). Avant amplification, l’impulsion est étirée jusqu’à 100 picosecondes par un étireur basé sur le principe d’un triplet de Offner [3]. L’intérêt de la technique CPA est d’étirer de façon parfaitement contrôlée les impulsions femtosecondes pour permettre de les amplifier sans que l’intensité crête atteinte n’induise des effets non linéaires, voire une détérioration des différents éléments optiques constituant la chaîne laser (réseaux, miroirs, cristaux, etc.). Il suffira ensuite, en fin de chaîne, de comprimer l’impulsion à une durée de quelques dizaines de femtosecondes par le processus inverse de l’étirement. Le triplet de Offner schématisé sur la figure (2.1), présente l’avantage sur d’autres systèmes d’étirement de fonctionner uniquement en réflexion. Par construction, il n’induit aucun défaut de phase autre que ceux qui sont liés à la qualité des optiques qui le composent.