FLEX : Lasers XUV



Depuis les années 2000, le LOA met à profit ses lasers ultra-intenses pour développer des sources lasers XUV compacts et à haute cadence. Le principe est le suivant : un plasma est créé en focalisant un laser sur une cible à l'état solide ou gazeuse. Dans certaines conditions de densité et de température une inversion de population est obtenue entre deux niveaux excités d'une espèce ionique du plasma. L'émission laser XUV qui suivra est alors la conséquence de cette inversion de population ; le rayonnement émis par émission spontanée est amplifié par émission stimulée au cours de sa propagation dans le milieu en inversion de population.

Les nombreuses études menées au LOA ont permis la réalisation de sources laser dans la gamme 30-40 nm de longueur d'onde. Ces lasers délivrent aujourd'hui des impulsions de l'ordre 1 µJ en quelques picoseconde à une fréquence de 10 Hz. Le plasma amplificateur est ici créé en focalisant une impulsion intense (1 J en 30 fs) dans une cellule de gaz. Si ces travaux ont fortement fait progresser la compréhension des processus impliqués dans la réalisation de ce type de sources, dans le début des années 2000 certains points restaient à améliorer (distribution d'énergie dans le faisceau, front d'onde et cohérence spatiale). Dans ce but, le LOA a mis au point, dès le début de l'année 2004, une nouvelle méthode basée sur une géométrie oscillateur-amplificateur. Dans cette approche, employées pour les lasers de puissance fonctionnant dans la gamme visible ou infrarouge, le plasma qui est le siège d'une inversion de population n'est plus considéré comme la source à part entière mais comme un amplificateur classique d'une chaîne laser XUV. Il suffit de le coupler à un « oscillateur» XUV émettant à la même longueur d'onde et ayant de bonnes propriétés de cohérence. Les harmoniques d'ordre élevé se sont naturellement imposées comme l'oscillateur idéal en raison de la simplicité de mise œuvre, de la quasi-accordabilité, de la forte cohérence spatiale et d'une polarisation aisément ajustable.

Les résultats de cette expérience furent très convaincants. Le faisceau harmonique incident est amplifié jusqu'à 600 fois, tout en conservant sa polarisation. De plus, la cohérence spatiale du faisceau est améliorée ainsi que son front d'onde qui atteint la valeur record de lambda/17 rms. Pour comprendre la porté de ce résultat, il faut savoir que des fronts d'onde de cette qualité sont rarement obtenus sur les lasers infrarouges. Il est probable que l'extension de la technique d'amplification d'harmonique à des plasmas à plus haute densité (comme ceux produits en focalisant l'énergie d'un laser sur une cible massive) permettra d'accroître l'énergie et de réduire la durée des impulsions laser XUV. Dans ce but le LOA explore toutes les pistes qui permettront d'augmenter la largeur spectrale du milieu à gain (c'est elle qui limite la durée de l'impulsion), qui est pour l'instant trop étroite avec des amplificateurs à plasma-gaz. Les calculs réalisés montrent que ceci sera réalisable sur des installations laser de plus grande dimension (type petawatt). Avec ce type de lasers, actuellement en cours de construction, il aussi est envisagé d'utiliser plusieurs amplificateurs-plasma mis en série pour produire des faisceaux de plusieurs centaines de µJ.





Atteindre de plus courtes longueurs d'onde permettra d'élargir le champ d'applications possibles de ce type de source. Si les études menées jusqu'à aujourd'hui permettent d'ores et déjà d'atteindre la dizaine de nanomètre avec des énergies de pompe relativement modestes (quelque joules), il est aujourd'hui nécessaire d'explorer les possibilités offertes par d'autres schémas de fonctionnement que ceux actuellement mis en œuvre (schéma de recombinaison ou par photoionisation en couche interne d'atome neutres). Les difficultés expérimentales et l'absence de laser de pompe adapté pour leur mise en œuvre font que jusqu'à maintenant, aucune démonstration probante n'a pu être réalisée. Toutefois les possibilités offertes par les installations lasers du LOA font que ces schémas alternatifs retrouvent aujourd'hui un regain d'intérêt et sont étudiés intensivement.

 

ENSTA CNRS Ecole Polytechnique