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Propriétés spectrales et temporelles des lasers XUV générés par plasma

Annie Klisnick, Denis Cubaynes
Laila Dakroub (doctorante), Tatyana Sinyakova (post-doctorante -> décembre 2020)

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Photo de gauche : spectromètre à électrons de type VMI implanté sur l’installation LASERIX.
Figure de droite : spectre VMI obtenu dans l’argon photoionisé par le laser XUV émis à 38 eV

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.

En collaboration avec un théoricien du CEA-DAM, l’équipe développe et exploite le code bidimensionnel COLAX, qui décrit l’évolution temporelle et spatiale du champ électrique associé au champ laser au cours de son amplification dans le plasma. Ce code permet en particulier une description fine de la réponse du plasma à l’injection d’une impulsion harmonique d’ordre élevé de durée femtoseconde.

Sur le plan expérimental, notre équipe développe et met en œuvre une instrumentation et des techniques originales, qui permettent d’atteindre la résolution (spectrale et/ou temporelle) souhaitée pour caractériser et possiblement contrôler le profil temporel des impulsions XUV.

Ainsi une étude approfondie de la largeur spectrale des différents types de lasers XUV existant actuellement dans les différents laboratoires, en France, aux Etats-Unis et en République Tchèque, a été menée jusqu’en 2015. Les mesures étaient basées sur une technique d’interférométrie par transformée de Fourier, à l’aide d’un interféromètre XUV spécifiquement conçu par l’Institut d’Optique pour ces mesures. Cette étude a permis de mettre en évidence, puis d’interpréter quantitativement l’effet de la cohérence temporelle partielle des impulsions laser XUV sur les mesures de largeur spectrale (Thèse A. Le Marec, 2016).

La mesure directe du profil de l’impulsion dans le domaine temporel, avec une résolution femtoseconde, est un enjeu important qui reste difficile à réaliser. Depuis 2017 l’équipe développe un nouveau diagnostic de métrologie temporelle des impulsions XUV ultra-brèves, en collaboration notamment avec le Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique et les développeurs de ces sources à l’Université Paris-Saclay (contrat postdoctoral T. Sinyakova 2018-20). La méthode utilisée repose sur la spectroscopie de photoélectrons produits par l’ionisation d’atomes de gaz rare en présence d’un champ d’habillage laser. Cette méthode a déjà été démontrée pour deux types de sources XUV ultra-brèves : les harmoniques d’ordre élevé générées dans des gaz, et les lasers à électrons libres XUV.

Pour ce projet un nouveau spectromètre de photoélectrons, dit à imagerie de vitesse (VMI=Velocity Map Imaging), a été conçu et réalisé au laboratoire, en collaboration avec des chercheurs de SOLEIL. Ce spectromètre a été implanté sur deux types de sources XUV ultra-brèves : les harmoniques d’ordre élevé générées sur miroir plasma sur l’installation UHI100 du LIDYL (CEA-Saclay) ; et le laser XUV injecté développé sur l’installation LASERIX de IJC-Lab (Orsay).

Publications :
- L. Dakroub et al., Proc. SPIE 11886, 17th International Conference on X- Ray Lasers 2020, 118860N (2021) ; doi : 10.1117/12.2594657
- A.K. Pandey et al., Opt. Express, 28, 20, 28924-28941 (2020)
- C. Bourassin-Bouchet et al., Proc. Vol. 11111, X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources : Development and Applications XIII ; 111110E (2019)

Collaborations :
LASERIX (IJC-Lab, Orsay), LIDYL (CEA-Saclay), LCF (IOGS, Palaiseau), SOLEIL-Synchrotron ; Colorado State University (USA), PALS-Prague (République Tchèque).