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Propriétés spectrales et temporelles des lasers XUV générés par plasma

Annie Klisnick
Doctorante : Andréa Le Marec

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Photo de gauche : Interférométre à division de front d’onde implanté sur l’installation LASERIX.
Figure de droite : exemple de mesure de cohérence temporelle réalisée au Colorado State University (USA)

Les plasmas chauds et denses, générés par des lasers de forte puissance ou des décharges électriques très rapides, peuvent être utilisés pour générer un faisceau laser à courte longueur d’onde dans le domaine XUV (longueur d’onde 2 - 50 nm). L’inversion de population, nécessaire à l’effet laser, est produite entre deux niveaux excités de certains ions fortement chargés (par exemple Mo14+), sous l’effet des collisions avec les électrons libres. L’effet laser démarre à partir de l’émission spontanée, qui est ensuite fortement amplifiée par émission stimulée, conduisant à l’émission d’un faisceau laser XUV intense, collimaté et extrêmement monochromatique.

Pour aller plus loin et améliorer les performances de ces sources, une nouvelle génération de lasers XUV est actuellement développée dans plusieurs laboratoires : les lasers XUV injectés. Le plasma, dans lequel on a créé l’inversion de population, sert alors d’amplificateur à une petite impulsion cohérente (et de même longueur d’onde) qu’on injecte à l’entrée. On cherche en particulier à amplifier des impulsions XUV, obtenues par une autre technique (génération d’harmoniques d’ordre élevé), qui sont moins intenses mais de durée femtoseconde.

Toutefois la durée la plus courte que le plasma peut amplifier est limitée par la largeur spectrale extrêmement étroite des raies laser XUV (limite temps-fréquence). Un des objectifs de nos recherches actuelles est donc de préserver autant que possible la durée femtoseconde de l’impulsion XUV amplifiée, soit en en élargissant la largeur spectrale de l’amplificateur, soit en exploitant la réponse dynamique et cohérente des émetteurs.

Nos études s’appuient d’une part sur la caractérisation expérimentale fine des propriétés spectrales et temporelles de l’impulsion XUV amplifiée, d’autre part sur des simulations numériques détaillées du processus d’amplification en présence d’une impulsion injectée.

Les mesures des propriétés spectrales utilisent un interféromètre XUV spécifiquement conçu pour ces études par le LCF de l’Institut d’Optique. Cet interféromètre à division de front d’onde et différence de marche variable permet de mesure le degré de cohérence temporelle de l’impulsion XUV, elle-même reliée à la largeur spectrale de la raie laser.

Les simulations numériques utilisent le code COLAX, développé par un théoricien du CEA-DAM. Ce code est basé sur les équations de Bloch-Maxwell, et décrit l’évolution temporelle, et spatiale en 2 dimensions, du champ électrique associé au champ laser. La modélisation détaillée de l’élargissement des raies par les collisions électroniques ou l’effet Doppler est étudiée en collaboration avec des théoriciens du laboratoire PIIM à Marseille.

L’équipe collabore avec plusieurs laboratoires qui développent des lasers XUV, injectés ou non, à partir de leur installation laser : LASERIX (Orsay) et LOA (Palaiseau) en France ; Colorado State University (USA) ou PALS-Prague (République Tchèque).