Dépôt numérique
RECHERCHER

Génération d’harmoniques d’ordres élevés à haut flux dans un plasma d’ablation de carbone : mécanismes et applications.

Pertot, Yoann (2014). Génération d’harmoniques d’ordres élevés à haut flux dans un plasma d’ablation de carbone : mécanismes et applications. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 266 p.

[img]
Prévisualisation
PDF
Télécharger (13MB) | Prévisualisation

Résumé

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce résumé peut être lue en PDF.

La génération d’harmoniques d’ordres élevés par plasma d’ablation consiste à utiliser comme milieu non linéaire, non pas un gaz noble, mais un plasma issu de l’ablation par une impulsion laser d’une cible solide. Cette technique a été motivée par l’éventail de choix de milieux de génération qu’elle offre, mais aussi par la présence d’ions. Elle consiste en l’ablation par une impulsion de faible intensité d’une cible solide puis, après un certain délai, la focalisation d’une impulsion courte dans le milieu en expansion. L’interaction non linéaire de cette impulsion courte avec le plasma consiste en l’ionisation des particules du milieu et, lorsque les électrons ionisés recombinent vers l’ion parent, un photon dans le domaine ultraviolet extrême est généré. Expérimentalement, un grand nombre d’atomes émettent un photon à chaque demi-cycle optique de l’impulsion fondamentale. L’addition cohérente de ces photons résulte en la production d’harmoniques impaires de la longueur d’onde d’origine du laser. Depuis 2003, la génération d’harmoniques d’ordres élevés par plasma d’ablation a montré des caractéristiques intéressantes. Parmi les plus notables, certaines cibles métalliques comme l’indium ont montré des phénomènes de résonances augmentant de plusieurs ordres de grandeur l’efficacité de génération pour une longueur d’onde particulière. Ce phénomène serait lié premièrement à une amélioration des conditions d’accord de phase du à la proximité d’une transition, mais aussi, l’ajout d’une étape intermédiaire entre la propagation et la recombinaison dans le modèle microscopique. Elle consiste au « piégeage » de l’électron par le niveau auto-ionisant avec la recombinaison vers le niveau fondamental. Un temps de vie élevé et une force d’oscillateur importante d’un tel niveau expliquent la forte augmentation de l’efficacité de génération. Enfin, la cible de manganèse a permis de générer le 101ème ordre d’un faisceau à 800 nm. C’était, au moment de sa génération, l’énergie de photon la plus élevée obtenue en utilisant des plasmas d’ablation. Les cibles de nanoparticules ont ensuite montré des efficacités de génération très élevées (10−4). Elles ont cependant un désavantage qui est leur ablation rapide, induisant une disparition des conditions adéquates à la génération après seulement quelques tirs. Cela se traduit expérimentalement par une difficulté durant l’alignement et l’impossibilité d’utiliser cette technique pour un grand nombre d’applications. Nous avons pu montrer que la cible solide de graphite associait des efficacités de génération équivalant à celle des nanoparticules tout en alliant les avantages d’une cible solide. Ces avantages sont une ablation de la cible beaucoup plus lente, donc un signal plus stable et beaucoup plus facile à optimiser. Étant donné les propriétés évidemment intéressantes de cette cible, il a été décidé de concentrer ce travail de thèse sur la compréhension des mécanismes de génération à partir du graphite ainsi que le développement des premières applications exploitant la très forte efficacité de génération. Nous montrons dans le troisième chapitre, par une revue de la littérature couplée à des expériences de spectroscopie, que la composition du plasma au moment de la génération des harmoniques d’ordres élevés est essentiellement composée de petites molécules C2, C3 ainsi que d’atomes de carbone et d’ions. La faible fluence d’ablation favorise un milieu quasiment neutre, mais également la présence des molécules plutôt que des atomes. Il est en effet thermodynamiquement plus efficace de les extraire du solide. Cela a permis de restreindre fortement le choix des candidats responsables du processus d’émission ultraviolet extrême. Ensuite, plusieurs observations ont permis d’obtenir des informations quant au mécanisme de génération. En effet, nous avons tout d’abord observé un fort décalage vers le rouge lors de l’augmentation de l’intensité du faisceau infrarouge. Ce phénomène inattendu, car un décalage vers le bleu est généralement attendu dans ce cas, a tout d’abord était interprété comme dû à la présence possible d’une résonance dans l’étape d’ionisation. Cependant, une série d’expériences n’a pas permis de corroborer cette hypothèse. Ensuite, la contribution du mouvement interatomique en cas de génération à partir d’une molécule a été considérée. Il explique théoriquement le décalage vers le rouge du signal harmonique. De plus, une augmentation de l’efficacité de génération lors de l’allongement temporel de l’impulsion suggère un phénomène « d’ionisation augmentée »pour une distance interatomique précise. Un projet expérimental est suggéré afin de vérifier cette hypothèse. L’utilisation d’une impulsion fondamentale de longueur d’onde plus élevée (1.8 μm dans ce travail) permet l’augmentation du « cutoff ». Les spectres obtenus beaucoup plus larges permettent une meilleure extraction de l’information sur les mécanismes de génération. Notamment, nous montrons que la structure des spectres est très proche de la section efficace de photo-ionisation des molécules de C2. Également, un minimum d’intensité est observé à une énergie proche de 33 eV. Il coïncide avec une extinction due possiblement à des interférences destructives à deux centres dans une molécule de C2. C’est un phénomène qui a été observé auparavant pour d’autres molécules diatomiques comme O2 ou N2. Cela pose cependant la question d’un alignement partiel des molécules du plasma, condition nécessaire à l’observation d’un minimum de génération. L’ensemble de ces résultats suggère fortement le rôle des molécules de carbone diatomique comme prépondérant dans le processus d’émission des harmoniques d’ordres élevés. Finalement, le dernier chapitre est consacré à la présentation des applications de la génération d’harmoniques et plus particulièrement, celles exploitant la forte efficacité de génération de la méthode par plasma d’ablation. Tout d’abord, nous exposons la première démonstration de l’émission d’un continuum d’harmonique par la méthode « Double Optical Gating (DOG) » avec une impulsion fondamentale centrée à 800 nm. Cette étude est couplée à une comparaison de l’efficacité de génération dans l’argon et le plasma de carbone. Il en résulte que, en dépit des conditions expérimentales défavorables à la méthode plasma, celle-ci montre une efficacité un ordre de grandeur supérieure. Nous démontrons ensuite la génération d’un tel continuum dans le laboratoire « Advanced Laser Light Source (ALLS) » grâce à l’utilisation d’une impulsion à 1.8 μm associée à une porte de polarisation. Nous considérons ce résultat encourageant malgré un signal obtenu faible, car il consiste en une mesure à tir unique. La dernière application décrite dans ce mémoire de thèse est la mesure de l’opacité XUV d’un état de la matière intermédiaire entre le solide et le plasma, appelé « Warm Dense Matter (WDM) ». Ce projet n’a pas mené à l’obtention de résultats publiables. Cependant, nous considérons qu’il était intéressant de le décrire et d’en exposer les développements envisagés.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Ozaki, Tsuneyuki
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: plasma d’ablation de carbone; génération d’harmoniques; laser
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 11 févr. 2016 18:46
Dernière modification: 11 févr. 2016 18:46
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3301

Actions (Identification requise)

Modifier la notice Modifier la notice