Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de mar/avr/mai 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 56

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'amplification d'impulsions laser par dérive de fréquence.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Intensités fortes  : applications à la recherche Les aspects technologiques Catherine Le Blanc (catherine.leblanc@polytechnique.fr) Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (CNRS/École polytechnique/CEA/Sorbonne Université), École polytechnique, 91128 Palaiseau Cedex Les lasers de très haute intensité se composent de quatre grandes parties (fig. III.1)  : une première partie « pilote » avec un oscillateur ultracourt et un étireur d’impulsion (voir l’article de F. Druon, p.14), une deuxième partie avec des amplificateurs de puissance de tailles croissantes pompés par des lasers de très fortes énergies ; la troisième partie est le compresseur d’impulsion comprenant des grands réseaux de diffraction installés sous vide, et la dernière est le transport sous vide du faisceau et sa focalisation. Pour atteindre des intensités de plus de 10 22 W cm -2, il faut non seulement avoir des impulsions de fortes énergies (plusieurs centaines de joules), de durées très courtes (inférieures à 20 fs), mais aussi que le faisceau soit focalisable sur une petite surface (quelques microns carrés). Tous ces paramètres deviennent difficiles à atteindre quand on va vers ces extrêmes, et on est très vite rattrapé par les limites de la technologie. Dans ce contexte, Oscillateur Pilote  : Génération et étirement 20 Reflets de la Physique n°61 -^"AleAMe." * le projet français Apollon 10 PW (soit 180 J, 18 fs) est un très bon exemple d’installation laser de très haute intensité qui est à la frontière de la technologie [10, 14]. Pour illustrer les défis rencontrés, nous évoquerons tout d’abord l’amplification avec le saphir dopé au titane (Ti 3+  : Al 2 O 3 noté ici Ti  : Sa), milieu amplificateur qui a permis d’atteindre des records de puissance crête, puis la technologie liée à l’étirement et à la compression d’impulsions à très large spectre et à très haute énergie, et enfin la gestion de la focalisation du faisceau sur des tailles les plus petites possible. Le premier défi concerne donc l’amplification et plus particulièrement les milieux amplificateurs. On peut identifier deux grandes classes de milieux amplificateurs utilisés pour les lasers intenses  : le verre dopé au néodyme (Nd  : verre) et le cristal Ti  : Sa. Les lasers Nd  : verre ont été les premiers à être utilisés en mode CPA [1] en 1985, jusqu’à atteindre le pétawatt au Lasers de pompe Étireur Compresseur Amplificateurs Laurence Livermore National Laboratory [15] en 1999. Dans les années 1990 est apparu le Ti  : Sa, qui s’est révélé être le matériau le plus propice aux impulsions ultracourtes et intenses. Avec ses 200 nm de largeur spectrale, sa conductivité thermique élevée, sa capacité à stocker beaucoup d’énergie sur une petite surface (fluence de saturation élevée), il est le meilleur candidat pour atteindre des puissances crêtes élevées. Ainsi, en utilisant des cristaux de taille suffisamment grande (200 mm de diamètre pour le Ti  : Sa) (fig. III.2b), on sera capable d’extraire des énergies de plusieurs centaines de joules. Mais la difficulté ici est la fabrication de ce cristal en très grande taille. Depuis plus de vingt ans, de nombreux industriels ont travaillé sur la production de grands cristaux, homogènes en surface et en volume, mais souvent sans succès. Aujourd’hui, seule la société américaine GTAT peut fabriquer des cristaux Amplification Compression Focalisation Focalisation III.1. Principe d’une chaine d’amplification CPA, avec quatre grands blocs  : le pilote, les amplificateurs de puissance, le compresseur d’impulsion et le système de focalisation.
de Ti  : Sa de plus de 200 mm de diamètre – ce qui permet toutefois d’extraire plus de 300 joules. Le laboratoire SIOM en Chine est aussi depuis peu un fournisseur potentiel de cristaux de grande taille ; reste à en vérifier la qualité et la reproductibilité. Le deuxième défi qui, dans ce contexte CPA, prend toute sa signification est la maitrise de l’étirement et de la compression des impulsions très courtes et énergétiques. La difficulté est d’étirer les impulsions très courtes sur cinq ordres de grandeur (de 10 fs à 1ns), tout en gardant l’intégralité de la bande spectrale et sans y ajouter d’aberration optique (ni chromatisme ni aberration sphérique ou coma), sous peine de ne pas pouvoir recomprimer les impulsions à leur durée initiale. La technique expliquée précédemment (voir l’article de F. Druon, p.14) est ici optimisée à l’extrême, et l’étireur de type Offner [16] qui n’utilise que des optiques réflectives (fig. III.2a) est une très bonne solution pour étirer sans aberration des impulsions courtes. La compression de l’impulsion est aussi une partie délicate de la technique CPA. L’énergie en sortie des amplificateurs est très élevée (300 J sur l’installation Apollon) et les réseaux utilisés pour la compression ont la fâcheuse caractéristique d’avoir un seuil d’endommagement très bas (autour de 400 mJ cm -2). Depuis la démonstration du CPA, la technique de fabrication des réseaux n’a pas fondamentalement évolué. Même si depuis plusieurs années, on a vu apparaitre des réseaux avec des traitements multicouches diélectriques plus efficaces et plus robustes, leur acceptance spectrale, c’est-à-dire la gamme de longueurs d’onde Barande Jérémy/École polytechnique. Barande Jérémy/École polytechnique. a c Avancées de la recherche III.2. Photos de l’installation 10 PW Apollon. (a) Étireur Offner à deux réseaux. (b) Cristaux amplificateurs de Ti  : Sa (le plus grand mesure 200 mm de diamètre). (c) Enceinte à vide du compresseur de 6 mètres de long et 3 m de haut, en cours de montage. (d) Réseaux métriques en or (940 x 480 mm) pour la compression des impulsions. b d dans laquelle le réseau peut travailler, n’est pas suffisamment large pour des impulsions ultracourtes. Aujourd’hui, les seuls réseaux commerciaux capables de recomprimer des impulsions sub-50 fs sont les réseaux recouverts d’une couche d’or. Les fabricants – comme par exemple Horiba France SA – ont toutefois amélioré considérablement leur technique et fournissent aujourd’hui des réseaux extrêmement efficaces (94% d’efficacité de diffraction) sur des tailles pouvant atteindre un mètre, avec une excellente qualité de front d’onde. Pour pallier la faible tenue au flux des réseaux, les faisceaux énergétiques à la sortie des amplificateurs doivent être agrandis d’un facteur 3 environ. Dans le cas du laser Apollon, le faisceau est élargi à 400 mm de diamètre et est comprimé par quatre réseaux en or d’un mètre de longueur (fig. III.2d). La compression se réalise dans une grande chambre à vide (fig. III.2c), afin d’éviter les effets non linéaires lors de la propagation de l’impulsion intense. Le troisième défi concerne la capacité à focaliser le faisceau. En sortie du compresseur, ce dernier est dirigé vers une chambre d’interaction et est focalisé pour interagir avec le milieu solide ou gazeux. Pour cela, on utilise couramment des miroirs paraboliques hors axe de très grande ouverture. De plus, pour permettre une focalisation optimum, des miroirs déformables sont placés à l’air avant le compresseur. Ces miroirs, composés d’actuateurs actifs répartis sur toute la surface, sont capables de corriger les déformations de front d’onde subies par le faisceau au cours de l’amplification [17]. En général, la mesure des aberrations est réalisée en sortie du dernier amplificateur, et la correction adéquate est appliquée au miroir déformable. Tous ces facteurs réunis permettent aujourd’hui de développer des installations laser capables de fournir des puissances crêtes de plus de 10 PW, avec des intensités de 10 23 W cm -2 (voir l’article de P.Zeitoun, p.23). Le laser Apollon [18] ouvrira ses portes aux utilisateurs en 2019, en délivrant 1 PW dans une première phase, et pourra à partir de 2020 atteindre son niveau attendu de 10 PW. Gilles Chériaux/École polytechnique. Photo prise à Livermore. LULI. Reflets de la Physique n°61 21



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