Bettaibi, Islam (2005) Investigations of X-ray lasers pumped by fs laser pulses. PhD thesis LOA, ENSTA / EP / LOA - Laboratoire d'Optique Appliquée UMR 7639, EP/X p.235.

Alternative Locations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Bettaibi2.pdf

Abstract

Coherent soft x-ray sources have an important potential for scientific, medical and industrial applications. The development of high intensity laser systems allowed the realization of new coherent and fast soft x-ray sources like high order harmonic generation and soft x-ray lasers. These sources are compact, cheaper than traditional sources such as synchrotrons, and are thus interesting.

This thesis presents the study of a new soft x-ray laser pumped by a femtoseconde laser beam working at 10 Hz. The circularly polarized ultra intense laser is longitudinally focused in a cell filled with xenon or krypton, to obtain the amplification of two lasing lines at 41.8 nm and 32.8 nm in Pd-like xenon and Ni-like krypton respectively. We carry out an experimental and numerical study of the source to understand the importance of different parameters such as the laser intensity and polarization, the gas pressure and the cell length. We have also spatially and temporally characterized the soft x-ray laser beam. To compensate the refraction of the driving laser we have investigated guiding techniques consisting in creating a plasma channel by electric discharge or using the multiple reflections of the driving laser on the internal walls of the dielectric tubes of sapphire or glass. A spectacular improvement of the source performances has been observed in both cases.

Finally, we present a preliminary study on a different x-ray scheme: the innershell photo pumping of neutral atoms. We have developed an optical system, which should create the appropriate conditions for the realisation of short wavelength x-ray amplifier.

Table of content

INTRODUCTION

Chapitre I: INTRODUCTION AUX SOURCES XUV COHERENTES

INTRODUCTION

1.1. LES SOURCES COHERENTES DU RAYONNEMENT XUV

1.1.1. Les synchrotrons

1.1.1.1. Les différentes générations de synchrotrons

1.1.1.2. Laser à électrons libres X (LEL)

1.1.2. Génération d’harmoniques d’ordres élevées (HHG)

1.1.2.1. Dans les gaz

1.1.2.2. Sur les solides

1.1.3. Les Lasers XUV

1.2. PRINCIPE ET ETAT DE l’ART DES LASERS XUV

1.2.1. Schémas de pompage

1.2.1.1 Pompage par recombinaison

1.2.1.3. Pompage par excitations collisionnelles

1.2.2 Amplification du rayonnement XUV

1.2.3. Etat de l’art des lasers XUV collisionnels

1.2.3.1. Lasers XUV collisionnels pompés par laser de 1 à 600 ps

1.2.2.2. Laser XUV collisionnels par décharge électrique

1.2.4 Particularités des lasers XUV pompés laser femtoseconde

1.2.4.1 Lasers XUV collisionnels par ionisation OFI

1.2.4.2. Pompage par photo-ionisation en couche interne

1.2.5 Positionnement des sources lasers X

REFERENCES DU CHAPITRE I

Chapitre II: THEORIE DU LASER XUV PAR OFI

INTRODUCTION

2.1. POMPAGE COLLISIONNEL DANS LE XE IX ET LE KR IX

2.1.1. Cas du xénon palladiumoïde

2.1.2. Cas du krypton nickeloïde

2.2. CREATION DU PLASMA AMPLIFICATEUR PAR OFI

2.2.1. Ionisation multiphotonique

2.2. 2. Ionisation par effet tunnel

2.2. 3. Ionisation par suppression de barrière

2.2.4. Paramètre de Keldysh

2.3. ETAT DU MILEU IONISE PAR EFFET TUNNEL

2.3.1. Taux d’ionisation tunnel

2.3.2. Ionisation au-dessus du seuil ATI

2.3.3. Distribution énergétique des électrons

2.4. PROPAGATION ET REFRACTION

2.4.1. Propagation du faisceau gaussien dans le vide

2.4.2. Refraction

2.4.2.1. Indice de réfraction

2.4.2.2. Effet de la réfraction sur la propagation

2.5. AMPLIFICATION DU RAYONNEMENT XUV EN REGIME ASE

2.5.1. Coefficient de gain et émissivité

2.5.2. Taux de collisions

2.5.3. Equation de transfert dans le régime à faible signal

2.5.4. Régime de saturation

2.5.5. Dispersion de vitesse de groupe

2.5.6. Largeur spectrale

2.6. DESCRIPTION DES CODES NUMERIQUES

2.6.1. Code 1: code de physique atomique

2.6.1.1. Distribution énergétique des électrons

2.6.1.2. Calcul du coefficient de gain, émissivité, intensité de saturation et largeur de raie

2.6.2. Code 2: Modélisation de la propagation du laser de pompe

2.6.2.1. Répartition de l’intensité maximale dans le plasma

2.6.2.2. Profil spatial de l’impulsion de pompe

2.6.2.3. Cartes d’ionisation

2.6.2.4. Cartes de gain

2.6.3. Code 3: Modélisation de l’amplification du laser X

2.6.3.1. Energie du laser X à 41,8 nm

2.6.3.2. Largeur de raie du laser X à 41,8 nm

2.6.3.3. Durée d’impulsion du laser X à 41,8 nm

CONCLUSION

REFERENCES DU CHAPITRE II

Chapitre III: LASER XUV OFI DANS UNE CELLULE DE GAZ

INTRODUCTION

3.1. DISPOSITIFS EXRERIMENTAUX

3.3.1. Laser de pompe

3.1.2. Dispositif expérimental du laser X

3.1.2.1. Contrôle et focalisation du faisceau de pompe

3.3.2.2. La cible: cellule de gaz de longueur variable

3.2.2.3. Diagnostics

3.2. CARACTERISATION ET OPTIMISATION DES LASER A 41,8 ET 32,8 NM

3.2.1. Conditions expérimentales

3.2.2. Spectres du laser X et calibration de l’énergie

3.2.3. Gain effectif du plasma amplificateur

3.2.3.1. Mesure du coefficient du gain

3.2.3.2. Calcul du coefficient de gain

3.2.4. Dépendance en pression

3.2.4.1. Résultat expérimental

3.2.4.2. Calcul du gain local

3.2.4.3. Calcul de la propagation du faisceau de pompe

3.2.4.4. Calcul complet de l’intensité du laser à 41,8 nm en fonction de la pression

3.2.5. Influence de l’intensité du laser de pompe

3.2.6. Dépendance de la polarisation

3.2.7. Dépendance du point de focalisation

3. 2.8. Empreintes du faisceau laser X à 41,8 nm

3.2.9. Mesure d e la durée d’impulsion du laser X à 41,8 nm

3.2.9.1. Méthode de corrélation croisée

3.2.9.2. Conditions expérimentales

3.2.9.3. Résultats et discussion

3.2.10. Conclusion

3.3. EFFET DE L’UTILISATION D’UNE LONGUE FOCALE SUR LE LASER X

3.3.1. Conditions expérimentales

3.3.2. Effet sur l’amplification du laser à 41,8 nm

3.3.3. Gain effectif

3.3.3.1. Mesure expérimentale

3.3.3.2. Calcul du gain

3.3.4. Dépendance en fonction de la pression

3.3.5. Etude expérimentale de la propagation du laser de pompe

3.3.6. Empreinte du faisceau

CONCLUSION

REFERENCES DU CHAPITRE III

Chapitre IV: LASER A 41,8 NM EN REGIME GUIDE

INTRODUCTION

4.1. TECHNIQUES DE GUIDAGE ET ETAT DE L’ART

4.1.1. Les techniques de guidage

4.1.1.1. Canal plasma

4.1.1.2. Guidage par réflexions

4.1.1.3. Guidage par effet relativiste

4.1.2. Guidage par canal plasma dans un tube capillaire à décharge

4.1.2.1. Contexte historique

4.1.2.2. Formation du canal plasma

4.1.2.3. Propagation d’un faisceau gaussien dans un canal plasma

4.1.3. Guidage par réflexions

4.1.3.1. Le contexte historique

4.1.3.2. Modes propres d’un tube capillaire

4.1.3.3. Couplage de l’énergie laser

4.1.3.4. Transmission de l’énergie

4.1.3.5. Des effets limitant le guidage

4.1.4. Application au laser X à 41,8 nm

4.2. GUIDAGE DANS DES TUBES CAPILLAIRES A DECHARGE

4.2.1. Dispositif expérimental

4.2.2. Résultats expérimentaux

4.2.2.1. Observations expérimentales et spectres

4.2.2.2. Signal du laser X en fonction de la pression

4.2.2.3. Influence du délai sur la transmission et le laser X

4.2.2.4. Profils du laser transmis

4.2.2.5. Evolution de la transmission pour différents mélanges et pressions

4.2.3 Résultats numériques et discussions

4.2.3.1. Détermination des propriétés du plasma créé par la décharge

4.2.3.2. Etats d’ionisations après interaction avec le laser

4.2.5. Conclusion

4.3. GUIDAGE MULTIMODE DANS UN TUBE CAPILLAIRE DE SAPHIR

4.3.1. Dispositif expérimental

4.3.2. Effet du guidage sur l’énergie du laser X

4.3.3. Dépendance en pression

4.3.4. Dépendance du point de focalisation

4.3.5. Dépendance de l’énergie de pompe

4.3.6. Conclusion

4.4. GUIDAGE MULTIMODES DANS UN TUBE CAPILLAIRE DE VERRE

4.4.1. Dispositif expérimental

4.4.2. Observation expérimentale et spectres

4.4.3. Calcul de propagation

4.4.4. Dépendance en fonction de la pression

4.4.5. Signal du laser X pour différentes longueurs du capillaire et de cellule

4.4.6. Dépendance en fonction de l’alignement du capillaire

4.4.7. Dépendance de la transmission

4.4.8. Dépendance de la position de focalisation

4.4.9. Empreinte du faisceau

4.4.9. Cas d’une courte focale

CONCLUSION

REFERENCES DU CHAPITRE IV

Chapitre V: CARACTERISATION D’UNE ONDE INHOMOGENE FEMTOSECONDE POUR LE POMPAGE EN COUCHES INTERNES D’ATOMES NEUTRES

INTODUCTION

5.1. ETAT D’ART DES LASERS X EN COUCHES INTERNES

5.1.1. Principe et motivations

5.1.2. Etat d’art

5.1.3. Nécessité d’une onde inhomogène femtoseconde

5.2. MISE EN FORME DE L’IMPULSION LASER

5.2.1. Méthode

5.2.2. Système optique

5.2.3. Détermination des paramètres expérimentaux

5.3. DISPOSITIF EXPERIMENTAL

5.3.1. Montage optique

5.3.2. Diagnostic: mesure de l’angle d’inclinaison du front d’énergie du faisceau par interférométrie

5.3.3. Mesure de la durée d’impulsion

5.4. RESULTATS EXPERIMENTAUX ET DISCUSSION

5.4.1. Mesure de l’angle d’inclinaison

5.4.2. Qualité du front d’énergie

5.4.3. Mesure de la durée d’impulsion

CONCLUSION

REFERENCES DU CHAPITRE V

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Statistiques de consultation

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