Optimisation des performances optiques et du seuil d'endommagement des
réseaux de compression du futur laser Petawatt
Nicolas Bonod, Jérôme Néauport
Commissariat à l'Energie Atomique,
Centre d'Etudes Scientifiques et Techniques d'Aquitaine,
BP N°2, 33114 Le Barp, France
Une ligne d'intégration laser, prototype du futur laser mégajoule, est en construction
actuellement au CEA CESTA. Elle comporte 8 lignes laser délivrant des impulsions
nanosecondes. Une neuvième ligne est prévue pour installer un laser petawatt qui délivre des
impulsions de 3.6 J d'une durée de 500 fs, et qui présentent donc une puissance de 7.2 PW.
Pour atteindre de telles puissances, il faut amplifier l'impulsion. Mais aucun milieu
amplificateur ne peut résister à de telles puissances sans être endommagé. Pour résoudre ce
problème, la durée de l'impulsion est augmentée pour diminuer sa puissance tout en
conservant son énergie. Cette technique est appelée amplification par dérive de fréquences.
Lorsque l'impulsion a été suffisamment amplifiée, elle est compressée par le même dispositif
qui l'a étirée et elle est focalisée. Ce système d'étireur et de compresseur d'impulsions est
réalisé à l'aide de réseaux entièrement diélectriques qui dispersent chacune des fréquences
contenues dans l'impulsion.
Mais à ce jour, un travail important reste à mener pour assurer un seuil d'endommagement
laser compatible avec une installation laser petawatt fonctionnant à 500 fs. Si les premiers
réseaux du compresseur peuvent être optimisés par rapport à leur efficacité réfléchie, le
dernier réseau subit une puissance lumineuse telle qu'il doit être obligatoirement optimisé par
rapport à son seuil d'endommagement laser. Aucun réseau fabriqué aujourd'hui ne pourra
compresser les impulsions qui seront délivrées par le laser petawatt. L'enjeu est important
puisque 3 programmes de fabrication de chaînes laser petawatt délivrant des impulsions
femtosecondes sont en cours en France.
Nous menons donc une étude numérique pour obtenir des réseaux présentant des efficacités
réfléchies supérieures à 95 % pour lesquels le renforcement du champ électrique dans les
matériaux est minimum. Dans un premier temps, nous sélectionnons l'ensemble des profils
qui offrent une efficacité réfléchie supérieure à 95 % dans l'ordre (-1) sur une bande spectrale
de 6 nm. Les imprécisions et les limitations d'usinage spécifiées par le constructeur sont
prises en compte dans le modèle numérique pour que les performances du réseau fabriqué
correspondent à celles du réseau modélisé. Puis le champ électrique est calculé dans le réseau
pour chacun de ces profils. Nous montrons que le maximum du carré du champ électrique
dans le matériau peut être réduit d'un facteur 3 en jouant sur le profil de gravure, et que ce
sont les réseaux qui ont la plus grande profondeur et le plus grand écart entre les piliers
diélectriques qui présentent les plus faibles renforcement du champ électrique dans le
matériau. Nous travaillons en collaboration avec des constructeurs (Jobin-Yvon, CEA LETI,
laboratoires universitaires) afin de confirmer ces travaux expérimentalement.
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