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Etudes en optique des lasers intenses

publié le , mis à jour le

Mesure du contraste mono-coup à très haute dynamique

L’interaction idéale d’une impulsion laser avec la matière présuppose qu’il n’y a pas de lumière suffisamment intense avant (pré impulsions destructives) ni après (perturbation de l’état obtenu) l’impulsion attendue. L’utilisation de lasers très intenses impose un rapport entre l’impulsion principale et le bruit (contraste) de l’ordre de 1010. S’il existe des techniques et des appareillages manufacturés pour mesurer des contrastes jusqu’à 109, probablement améliorables, ils demandent des durées d’acquisitions longues (quelques dizaines de milliers d’impulsions).

Dans le cadre de l’ILP avec nos collègues de la DSM, nous démarrons l’étude et le développement d’un concept permettant la mesure du contraste sur une seule impulsion basée sur le codage temps-espace , temps-vecteurs « k » ou temps-spectre à base d’amplification paramétrique.

Mesure de l’intégrale B

Dans les installations laser de haute énergie, l’intensité est telle que des effets non linéaires se cumulent au fur et à mesure de l’avancement de l’impulsion dans la chaîne. Ce cumul, dénommé « intégrale B » se porte sur la phase spectrale du champ électrique et contribue à une dégradation de la largeur temporelle minimale accessible et plus dramatiquement sur le contraste, rapport du bruit de fond proche à l’intensité maximale.

Nous avons mis au point une technique de mesure de l’intégrale B et testé celle-ci sur trois installations. En collaboration avec le CEA/CESTA, nous avons réalisé des mesures sur deux amplificateurs régénératifs et sur l’installation Alisé. Les résultats sont en accord avec les modélisations. Nous avons de même mesuré l’intégrale B sur la chaîne 1 kHz du CELIA.

  • La technique est basée sur un équivalent de la diffraction de Fresnel transposée dans le domaine temps-fréquence.
  • Cette « diffraction temporelle » s’inscrit dans le domaine spectral en fonction de l’amplitude des effets non linéaires cumulés dans les milieux traversés.
 Signature spectrale de l'action de B à 1053 nm pour deux instants d'extraction d'une cavité amplificatrice régénérative
Signature spectrale de l’action de B à 1053 nm pour deux instants d’extraction d’une cavité amplificatrice régénérative

Métrologie Laser

Caractérisation d’impulsions femtosecondes

Le laboratoire CELIA est spécialisé dans le développement et les applications liés aux lasers femtosecondes de très fortes intensités. La technologie (CPA) associée à ces lasers nécessite d’étirer temporellement l’impulsion pour l’amplifier. Cette impulsion est recomprimée par la suite avant d’être envoyée sur la cible. Les phénomènes observés sur la cible et plus particulièrement les phénomènes hautement non-linéaires comme la génération d’harmoniques d’ordres élevées sont extrêmement sensibles à l’intensité de l’impulsion (dépendance en IN avec N grand) et par conséquent à sa durée. La phase de recompression de l’impulsion est par conséquent cruciale pour ces applications. Afin d’optimiser ce réglage, il est nécessaire de mesurer la durée des impulsions qui dans ce cas est comprise entre 30 fs et 100 fs ou, de manière plus complète de déterminer la phase spectrale de l’impulsion qui doit être plate lorsqu’on atteint la limite de durée minimale. Aucun appareil de mesure directe ne pouvant fournir cette information, nous avons développé un système optique de reconstruction de la phase spectrale SPIDER pour Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction (Iaconis et al. Opt. Lett. 23, 792 (1998)) et développé le logiciel d’acquisition et de traitement en temps réel sous Labview. Cette technique permet des mesures monocoup. Ce système est entièrement paramétrable et permet la caractérisation complète (amplitude et phase) d’impulsions de 10 fs à 200 fs pour des largeurs spectrales allant de 10 nm à 150 nm. A terme, ce dispositif sera présent comme diagnostique permanent sur les 2 chaînes lasers Ti :Saphir du CELIA et fournira aux expérimentateurs les durée et forme de l’impulsion en temps réel.

Un second banc de mesure SPIDER va être développé dans le contexte de la nouvelle chaîne 100 kHz OPCPA. En effet, la durée extrêmement courte des impulsions nécessite un spectre très large qui sera recomprimé après amplification. Ce spectre est généré dans une fibre photonique et il est primordial de mesurer la phase résiduelle afin de la corriger et d’obtenir une impulsion la plus courte possible. Il faut donc modifier le dispositif pour qu’il puisse accepter un spectre allant jusqu’à 400 nm de largeur.

Caractérisation d’impulsions attotosecondes

L’objectif scientifique de cette thématique est le développement de la métrologie "attoseconde" (Hentschel M. et al, Nature 414, p.509 (2001) ). Il s’agit ici de mesure de phénomènes dynamiques évoluant sur une échelle de temps allant de la femtoseconde (1 fs = 10-15 s) à l’attoseconde (1 as = 10-18 s). Le domaine des impulsions attosecondes est en pleine effervescence (10 publications dans Nature, 8 dans Science) et très exitant.Ce régime de durées donne accès à de nouvelles parties de la science. En effet, l’as est l’ordre de grandeur de temps associé à la dynamique des électrons dans un atome ou une molécule. Des expériences faisant intervenir des impulsions laser ultra courtes ont mis en évidence des modulations caractéristiques de la dynamique électronique prouvant la possibilité de générer des impulsions attosecondes (Drescher P. et al, Nature 419, p.803 (2002)). En revanche, il n’a pas été possible à ce jour de caractériser complètement ces impulsions. Il est évident que la mesure précise de phénomènes ultra courts obtenue par des sondes lasers attosecondes nécessite la connaissance complète des caractéristiques de ces sondes. Plus particulièrement, ce projet propose de développer les diagnostiques capables de mesurer les impulsions attosecondes (détermination de l’enveloppe temporelle et de la phase). 

La période du champ électromagnétique d’une impulsion infra-rouge est de l’ordre de la femtoseconde. Les impulsions attosecondes sont donc nécessairement générée dans l’XUV. 
Il a été montré que des impulsions attosecondes pouvaient être produites (Paul M. et al, Science 292, p.1689 (2001)) grâce à la génération d’harmoniques d’ordre élevé (génération d’un rayonnement XUV harmonique dont l’énergie des photons égale N+1 fois l’énergie des photons du laser fondamental). Ainsi, caractériser les impulsions attosecondes ainsi produite revient à caractériser toutes les harmoniques. Nous avons donc proposé d’étendre la technique de caractérisation d’impulsion (mesure de l’amplitude et de la phase d’une impulsion électromagnétique) SPIDER, initialement développée pour les longueurs d’ondes proches du domaine visible, aux impulsions XUV. Une des difficultés majeures d’un SPIDER XUV par rapport à son application dans l’infra-rouge est la non-existence de milieux non-linéaire et d’optique nécessaire pour créer les copies et le décalage spectral. En collaboration avec le groupe du Pr. Walmsley (Oxford), nous avons étudié plusieurs dispositifs permettant de caractériser complètement (amplitude et phase) le champ électrique des harmoniques et déterminer ainsi sans ambiguïté la dépendance temporelle des impulsions attosecondes. Ce dispositif possède deux versions. Une extrayant la phase du champ codée dans un systèmes de franges spectrales (XUV-SPIDER) et l’autre dans un système de franges spatiales (SEA-SPIDER). Ces 2 schémas d’expérience que l’on a entièrement simulé ont été publiées récemment (Cormier et al. Phys. Rev. Lett. 94, 33905 (2005)) et une première campagne d’expérielces ` .eacute;té effectuée au CELIA sur la ligne harmonique. On a ainsi pu valider la technique de génération des copies d’impulsions XUV décalée en fréquence. Une deuxième campagne est prévue au CEA Saclay pour réaliser l’expérience finale. Enfin, nous travaillons sur la réalisation de la version spatiale de ce diagnostique qui sera moins restrictive que la version spectrale. Un des gros avantages de cette nouvelle approche est de diminuer considérablement la contrainte sur la résolution du détecteur puisque les franges d’interférences sont résolues sur la deuxième dimension.

Amplification paramétrique

Le groupe laser a défini un projet de développement d’une nouvelle chaîne laser d’une cadence à très haut taux de répétition (centaine de kHz). Une des solutions retenues s’appuie sur l’amplification paramétrique dans un milieu non linéaire dans une configuration à dérive de fréquence (OPCPA). Cette solution soulève certaines interrogations comme l’amplification d’une bande spectrale très importante, la synchronisation du signal et de la pompe, la recompression du signal amplifié à environ 10 fs. Plusieurs étapes ont déjà été franchies dans la recherche de solutions qui mèneront au développement de l’OPCPA très haute cadence à impulsions ultracourtes. Nous avons dans un premier temps réussi à amplifier des impulsions dont le spectre s’étale sur 400 nm autour d’une longueur d’onde centrale de 800 nm. Cette expérience a été réalisée sur la chaîne Ti :Saphir kHz du CELIA. Le spectre initial est obtenu par génération de lumière blanche dans une fibre photonique en injectant un prélèvement du faisceau. Ce signal est ensuite amplifié dans par amplification paramétrique en configuration NOPA. Les impulsions très intenses de la chaîne kHz sont doublées et légèrement étirées et servent d’impulsion de pompe. La largeur spectrale importante de la pompe (> 10 nm) nous permet de réaliser l’accord de phase sur sur plus de 400 nm démontrant ainsi une technique très efficace d’amplification ultra large bande. Plus récemment, nous avons démontré la possibilité d’amplifier des impulsions à très haute cadence dans un OPCPA pompé par laser à fibre. Cette expérience a été réalisée à l’Université Friedrich Schiller à Jena. Le point clé de cette expérience est le laser de pompe. Il s’agit d’un système CPA à fibre dopée à l’Yb et pompé par diode. Cette pompe délivre des impulsions de 100 µJ à une cadence de 200 kHz. Après doublage, ces impulsions nous ont permit d’amplifier un signal de 30 nm de bande à un niveau de quelques µJ. Ces expériences constituent des jalons incontournables du développement d’un OPCPA très haute cadence à impulsions ultra-courtes.

Ces expériences sont complétées par des études théoriques de la dynamique de l’amplification paramétrique au travers du développement d’un code de propagation du mélange à 3 ondes.