Transport de faisceaux et HHG pour le projet ELI-Beamlines en République Tchèque.
La ligne de lumière HHG a été installée et validée en République Tchèque en février 2017. Le système est maintenant totalement opérationnel et ouvert aux expériences des usagers extérieurs.
Transport de faisceaux HHG et ELI consortium
Au cours des dernières années, le domaine des lasers ultra-intenses est resté florissant comme le montre le nombre toujours croissant de projets scientifiques et technologiques dans ce domaine. En particulier, l’engagement de l’Europe dans la physique de Haute Intensité s’est illustré par l’implication de nombreux pays européens dans la réalisation de projets de grande envergure mondiale nécessitant la mise en commun de leurs ressources scientifiques et leur expertise dans ce domaine.
Le consortium ELI est ainsi au cœur de cet effort européen pour créer des équipements à la pointe de leur domaine, permettant d’explorer des nouveaux régimes d’interaction laser-matière jamais atteints jusqu’à présent. Il est divisé en trois équipements principaux: ELI-Beamlines en République Tchèque, ELI-NP en Roumanie et ELI-ALPS en Hongrie, chacun étant équipés par un système laser unique et dédié à un domaine particulier de la physique. Ces sources lasers seront utilisées pour générer des sources secondaires d’électrons, de rayons X, de rayons Gama, etc…
En particulier, ELI-Beamlines a été pensé pour permettre des expériences de type pompe/sonde avec des lasers de différentes natures. Une des lignes laser (la ligne de transport de faisceaux High Harmonic Generation) a notamment été conçue, livrée et installée par la compagnie française, ARDOP. Ce système clé en main permet la génération d’un faisceau XUV large bande depuis février 2017.
HHG
Elle a été pensée pour supporter simultanément deux lasers primaires fonctionnant @ 1 kHz avec des trains d’impulsion de durée < 20 fs et des puissances de 100 mJ. Ces faisceaux peuvent être superposés et focalisés sur une cible gazeuse, le laser résiduel filtré et le faisceau XUV généré caractérisé in-situ. Le système peut ainsi générer un faisceau large bande dans la région XUV (allant de 5 nm à 120 nm) grâce à son design modulaire permettant différentes géométrie de focalisation (focales de 1 m à 20 m), une longueur de cellule ajustable et l’utilisation de différents gaz rares.
La ligne de lumière est composée quatre enceintes d’un mètre cube environ, d’un système de réjection IR à base de miroirs à incidence rasante et de filtres métalliques fins, et d’un système de diagnostic comprenant un spectromètre, un analyseur de front d’onde et d’une photodiode étalonnée pour des mesures de flux de photons.
Design opto-mécanique
Le système à vide et le design opto-mécanique ont été conçus pour être compatible avec un vide poussé de l’ordre de 10-6 mbar, avoir une grande stabilité mécanique et présenter un transfert minimal des vibrations issues des pompes à vide :
- Support en inox, tubes et chambres à vide en aluminium, avec un niveau de propreté compatible ultra-vide
- Tuyaux flexibles pour assurer le découplage des vibrations entre les enceintes à vide et les pompes à vide
- Tables optiques découplées des chambres à vide pour réduire les vibrations et les déformations mécaniques dues au vide
- Environnement ultra-vide 10-6 mbar
- Transport de faisceaux sur 25 mètres
- Optiques motorisées et actionneurs sous vide pour permettre un réglage à distance une fois le système sous vide
Système de réjection du faisceau infrarouge
Le transfert d’énergie du faisceau laser IR au faisceau XUV étant faible et les faisceaux étant colinéaires, il est nécessaire d’enlever le faisceau IR du chemin du faisceau XUV, notamment pour les faisceaux faiblement divergents. Le système de réjection mis en place est décrit ci-dessous :
- miroirs à incidence rasante pour accroître le filtrage IR et la réflexion XUV
- un jeu plusieurs filtres métalliques fins, adaptés aux différentes longueurs d’onde suivant le régime considéré, pour absorber l’infrarouge résiduel.
Système d’alignement :
HHG fait partie intégrante d’une plus grande ligne de lumière, dont le but est l’étude des interactions simultanées de différentes sources sur une même cible solide. Il est donc extrêmement important d’avoir un système d’alignement fiable et reproductible permettant un positionnement du faisceau identique pour un usage quotidien.
Notre système d’alignement comporte les éléments suivants :
- laser d’alignement pour des mesures de champs proches et champ lointain. Il permet un positionnement correct du laser en entrée du système.
- système d’alignement XUV permettant au laser IR d’être aligné sur une référence au niveau de la cellule de gaz, le faisceau XUV ainsi généré étant alors dans la position souhaitée.
Système Local de Contrôle :
Le Système Local de Contrôle prend en charge les sous-ensembles majeurs de l’expérience et travaille indépendamment du système de contrôle de ELI-Beamlines. Il peut néanmoins s’interfacer avec lui via TANGO :
- Vide : séquences de pompage et de mise à l’air automatiques, contrôle des vannes, jauges et pompes turbo-moléculaires
- Motorisation : accès à distance à toutes les montures et platines motorisées
- Alignement : visualisation par caméras de la positions des faisceaux et ajustements automatiques ou manuels via les contrôles motorisés
- Diagnostic XUV : caractérisation in-situ du faisceau XUV pour le spectre, le front d’onde et l’énergie
Diagnostic XUV :
En raison du large spectre XUV généré (de 5 nm à 120 nm), l’ensemble des moyens de diagnostic a été pensé spécialement pour ce système. Tous les moyens de caractérisations peuvent opérer sous vide et les éléments optiques clés sont motorisés et contrôlés via l Système de Contrôle Local :
- Spectromètre XUV basé sur un miroir toroïdal, une fente motorisée, un réseau incurvé et une caméra XUV haute résolution.
- Analyseur de front d’onde pour la bande [5 nm – 120 nm] avec une résolution de λ/5 rms @ 5 nm et λ/100 rms @ 80 nm.
- Mesure du flux de photons avec une photodiode XUV étalonnée
Résultats expérimentaux
La génération de XUV a été démontrée pour différentes bandes de longueur d’onde allant de 56 nm à 120 nm. Les caractérisations du spectre, du front d’onde et de l’énergie ont été réalisées avec succès pour trois gaz différents. Ci-dessous quelques images des harmoniques mesurées avec le spectromètre.
