WO1997024019A1 - Procede et dispositif interferometriques de caracterisation d'un milieu - Google Patents

Procede et dispositif interferometriques de caracterisation d'un milieu Download PDF

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WO1997024019A1
WO1997024019A1 PCT/FR1996/002045 FR9602045W WO9724019A1 WO 1997024019 A1 WO1997024019 A1 WO 1997024019A1 FR 9602045 W FR9602045 W FR 9602045W WO 9724019 A1 WO9724019 A1 WO 9724019A1
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pulses
medium
laser
radiation
pulse
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PCT/FR1996/002045
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English (en)
Inventor
Jean-François Eloy
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • H05G2/001—Production of X-ray radiation generated from plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
    • H05H1/0012—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry
    • H05H1/0031—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry by interferrometry

Definitions

  • the invention relates to the field of characterization or measurement of media using an interferometric technique of the Martm-Puplett type.
  • Such a technique is particularly well suited to the characterization of condensed, or gaseous, ionized media, such as plasmas.
  • Such media have sometimes very short lifetimes, and therefore exhibit a highly evolutionary character in a state outside thermodynamic equilibrium. therefore particularly difficult to acquire precise knowledge of the spatio-temporal evolution of the physical characteristics of these environments.
  • the invention is applicable not only to the study of plasmas, such as plasmas such as laser welding or arc welding, plasmas with magnetic fusion, or plasmas with fusion by inertial confinement, because it is also applies to the study of condensed matter, ionized gases, breakdowns in gases (in particular for the study of the functioning of candles, spark gaps, lightning)
  • plasmas such as laser welding or arc welding
  • plasmas with magnetic fusion or plasmas with fusion by inertial confinement
  • Another field of application is that of etu ⁇ e ⁇ e the combustion in jet engines (in aeronautics) as well as the study of the isospnere and the mag ⁇ etospnere in space p ⁇ ysi ⁇ ue
  • thermo ⁇ ynamic, electronic and onysico-cmmi ⁇ ues properties of ionized media with transient lifespan and of evolving nature such as laser olasmas, -1 is generally implemented means of diagnosis and spectroscopy calling upon the illumination of this medium by a source of electromagnetic radiation (of the X-ray type), this source having an intensity making it possible to illuminate the medium studied during its transitory evolutionary phase .
  • the source must also allow the generation of radiation such that the measurements, either of the reflected part or of the transmitted part, of this radiation can reveal the specific temporal physical characteristics of said medium.
  • a process is known using a source of pulsed radiation, either conerent (laser) or incoherent (X-rays).
  • the source radiation is up to conerent laser radiation
  • the characterization of the radiation transmitted by the medium of ionized plasma can be carried out by a measurement of magnetic rotary polarization, from which it is possible to calculate the spatial gradient at density and that of temperature that ionized medium
  • the single-shot system requires an additional diagnostic element which can restore the cartographic aspect of the radiation emission: it is necessary to obtain a spatial resolution of the medium studied, which is all the more delicate since said medium can have a very small thickness or spatial extension (of the order of a few tens of micrometers).
  • the signal to be detected by the rapid sampling device cannot be temporally modulated, and a high level of system noise affects the sensitivity of the measurement by sampling and limits the application to the detection and measurement of high amplitude signals. , clearly emerging above the noise from the associated electronic system.
  • the subject of the invention is therefore a device and a mterferometric method, for characterizing a medium, making it possible to obtain both a temporal resolution and a spatial resolution of the medium
  • the invention has for its object an interferometric device for characterizing a medium comprising: - means for generating a train of pulses of radiation, at a repetition rate greater than 10 10 Hz,
  • a beam called the pump beam
  • the pump beam means for directing, from said pulse train, a beam, called the pump beam, onto the medium to be measured or characterized, the latter producing, in response to the pulse train of the pump beam, a signal beam
  • a probe beam means for directing a beam, called a probe beam, from the pulse train towards the detection means
  • the pulse train can be obtained by reflection of a single pulse on a multilayer mterferential mirror, each pulse of the pulse train corresponding to the reflection of the initial pulse on each layer of the mirror.
  • the modulation of the pumping and probe beams is not of the active type, but of passive type: the mirror plays the role of sequencer, delivering a pulse tram at a repetition rate higher than that of all existing modulating devices.
  • the pulses generated can be of the X-ray type. In this case, it is convenient to use a laser emitting laser pulses towards a target of a solid material, the X-rays then being obtained by impact of the laser on the solid target.
  • the means for generating a train of pulses can be means for producing pulses of ultraviolet radiation. This can be obtained by multiplying, using non-linear means, the frequency of an ultraviolet, visible or infrared pulse radiation emitted by a pulse laser. Due to the generally very limited lifetimes of the media to be studied, the laser can be a "femtosecond" type laser, the pulses emitted being of a temporal width less than 10 ⁇ 13 s
  • the detector chosen is preferably an ultra-rapid detector, of CdTe, GaAs, SiO / sapphire, or diamond composition.
  • the choice of diamond is generally preferable, since this material is the most efficient from the point of view of resistance to radiation.
  • the constituent material of the detector is preferably an ultra-fast photoconductive material, the lifetime of the carriers being less than the picosecond.
  • the invention also relates to an interferometric method for characterizing a medium, comprising:
  • the pulse train can be obtained from a single pulse reflected on a multilayer interference mirror.
  • the pulses can be X-ray pulses, which can be obtained by emission of laser pulses on a target of solid material, the impact of the laser on the target producing the X-rays.
  • the pulses can be pulses of ultraviolet radiation, obtained for example by emission of laser pulses in the ultraviolet, visible or infrared range, and by multiplication of the frequency of the laser radiation by a non-linear crystal.
  • FIG. 1 represents a block diagram of a device according to the invention
  • FIGS. 2A to 2C represent the time evolution of various signals or beams used in the context of a method according to the invention
  • FIG. 3 is a block diagram of an autocorrelator with optoelectronic sampling.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a device for implementing the invention.
  • a laser not shown in the figure, emits pulses of radiation reference 2 in the figure. This radiation is focused by a lens 4 on the surface of a solid target 6.
  • the pulses emitted by the laser are preferably pulses of the femtosecond type, with a temporal width of the order of] _0-14 _] _ o _ 13 s T
  • he target 6 is composed of a metallic material of the titanium, nickel, zinc or tungsten type. Under the effect of the focused laser beam 2, a radiative emission from the surface of this target takes place, and this results in the emission of intense radiation 8 of X-ray radiation, whose energy and spectral characteristics depend on the target material selected. .
  • the X-ray beam thus obtained is reflected by a mirror 12, for X-rays, in the direction of a multilayer mirror 14.
  • This mirror essentially comprises a series of alternating layers 16, 18, 20, 22.
  • these layers may for example be alternately layers of carbon and tungsten, or tungsten and molybdenum.
  • This multilayer mirror transforms a single, incident X-ray pulse into a plurality or train of pulses. Indeed, a single X-ray pulse will undergo successive propagation and reflections on the stacked layers. From the absorption and reflection coefficients of the layers of the mirror 14, it is possible to choose the spacing and the number of the reflecting layers of the mirror as a function of the time range over which the pulse tram must be spread. If n is the index of the material constituting a layer of the mirror, at the average wavelength of X-rays, and knowing that a delay of nxlOO additional femtoseconds corresponds to a layer thickness of 30 ⁇ m (for directions of orthogonal incidence and reflection), it is possible to select the time difference between the X pulses of the pulse train.
  • the multilayer mirror 14 allows:
  • This second pulse is wider than the first: for a laser pulse of the order of IO "* 14 s, the X-ray pulse has a time width of approximately 10 ⁇ 12
  • S- Figure 2B represents the time course of the pulse train obtained after reflection of a single X-ray pulse on the multilayer mirror 14.
  • the pulse tram has as many peaks or elementary pulses as there are reflections on the mirror 14.
  • Each of the two beams, the beam emitted towards the medium 24 to be studied, and the reference beam 30 emitted towards the detector 26, have the same time distribution as that represented e in FIG. 2B
  • the interaction of the pulse tram that is to say of the beam 28 with the medium 24, causes the latter to re-emit a signal beam 32 in the direction of the detector 26.
  • the temporal evolution of the signal 32 is schematically represented in FIG. 2C.
  • the detector is therefore subjected to two beams: the reference beam 30 coming directly from the multilayer mirror 14, and the signal beam 32, re-emitted by the medium 24. These two beams interfere at the level of the detector 26: the field to be taken into account for the d ⁇ ecle ⁇ nchem-ent of the latter is the electric field
  • E Eo + E "2, where -E" o is the contribution of the beam 0 to the electric field, at the level of the detector 26, and ⁇ 3 E2 is the contribution of the beam 32 to the electric field, at the level of the detector 26. Consequently, if the fields E> o and ⁇ E2 are, at a certain time t, in phase, the detector is sensitive to the total field and is triggered. On the other hand, if, at an instant t ', the ⁇ ⁇ components Eo and E2 are in phase opposition, the resulting field is zero at the level of the detector 26 and the latter is not triggered. This principle allows
  • the fast or ultra-fast detector 26 is sensitive in the range of radiation to be studied. For X-rays, this may for example be a detector based on an ultra-fast photoconductive material, the lifetime of the carriers being less than one picosecond.
  • a material can be CdTe, GaAs, oxygen-doped silicon on sapphire, diamond, etc. Diamond is the most efficient material because it is the most resistant to radiation.
  • This detector 26 can be coupled to an optoelectronic autocorrelator device 34, with sliding contact.
  • This sampler is a microsystem capable of analyzing pulses up to 50 gigahertz. Schematically, such a device is represented in FIG. 3. It is an integral component, realizes in a microelectronic type technology. It comprises a main propagation line 36 on which the single signal S (t) to be sampled is sent, as well as n sampling lines 38-1, 38-2, 38-3, ..., 38-n. These sampling lines 38- ⁇ (l ⁇ i ⁇ n) are arranged in a "comb" along the main line. Between each of the sampling lines 38- ⁇ and the main line 36 is a pad 40- ⁇ (l ⁇ i ⁇ n) of photoconductive material. Each sampling line is also also connected to a storage capacity 42-1, 42-2, ... 42-n as well as to an acquisition electronics not shown in FIG. 3. Each photoconductive element 40 -1, 40-2, ...
  • 40-n is triggered by an ultra-fast laser pulse.
  • a convenient means of obtaining, for each photoconductive element such a pulse consists, as illustrated in FIG. 1, of taking a secondary beam 44-1 from the beam 2 of the femtosecond laser, using a mirror 46.
  • This secondary beam 44-1 can itself be divided into several sub-beams 44-2, ..., 4 ⁇ -n, using mirrors 43-2, ..., 43-n partially transparent interposed on its way.
  • the main sub-beam 44-1 triggers the photoconductive element 40-1.
  • a first secondary sub-beam 44-2 obtained using the mirror 43-2 triggers the photoconductive element 40-2 at an instant determined by the length of the delay line defined by the path of the beam between the mirror 43 -2 and the photoconductive element 40-2.
  • the third photoconductive element 40-3 is triggered by a second secondary sub-beam 44-3, at an instant itself defined by the length of a second delay line.
  • This trigger principle is applied to all photoconductive elements 40- ⁇ (l ⁇ i ⁇ n), this being triggered at an instant t 1 defined by the length of the ith delay line.
  • the ultrafast laser pulse incident on a photoconductor 40- ⁇ closes the switch formed by this photoconductor.
  • a signal is then taken, which corresponds to the intensity of the signal S opposite the line i at the instant t x of closing of the photoconductor.
  • each photoconductive material may for example be gallium arsenide low temperature, while the main and secondary transmission lines can be made of aluminum.
  • An electronic circuit for measuring, for example of the charge amplifier type, and for recording the signals delivered by each sampling line 38- ⁇ is also provided, but is not shown in FIG. 3.
  • the signal sampling time step delivered by the. photodetector 26 is defined by the spatial distance between two neighboring lines 38- ⁇ , as explained in the publication mentioned above.
  • the main trigger beam 44-1 taken from the femtosecond laser beam 2, determining the instant at which the first photoconductor 40-1 is closed, determines the instant at which sampling will start.
  • this triggering instant will define the portion of the plasma or of the medium 2 ⁇ being studied from which the analyzed signals will be retransmitted. This means that it is possible to choose to sample signals coming from a peripheral zone 50 of the studied medium 24 or from a zone 52 lying deep in the studied medium 24.
  • the device described above corresponds to an analysis of the medium carried out using X-rays.
  • the principle of the invention is not limited to the use of X-rays, but can also be applied , for example, the use of ultraviolet rays.
  • a femtosecond laser device emitting in the infrared, or the visible or in the ultraviolet is used, the radiation of which then passes through a cell of a non-linear material, for example a frequency doubler or tripler ( material of the KDP or KTP type), adapted on the one hand to the frequency of the laser radiation and on the other hand to the desired investigation frequency.
  • a multilayer mirror the layers of which are adapted to the wavelength of the beam to be reflected, allows get pulse tram, and the beam is then directed towards the medium to be analyzed.
  • the multilayer mirror can comprise a stack of layers, made of fused silica, whose transparency to ultraviolet radiation is high, but whose index jumps at the level of the diopters between each layer (of silica shade are sufficient to return a separate reflected component.
  • a probe or reference beam is emitted directly in the direction of the detector intended to receive the beams re-emitted by the medium to be studied. The same principle of spatio-temporal analysis is then applicable.
  • the detector is chosen as a function of the spectral range of the reference beam and of the beam re-emitted by the medium to be studied.
  • a trigger beam is taken from the laser beam, and a plurality of delay lines are formed using this beam, in order to trigger the different photoconductive elements of a sampling autocorrelator optoelectronics.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif interférométrique de caractérisation d'un milieu (24), comportant: des moyens (2, 6, 8, 12, 14) pour engendrer un train d'impulsions d'un rayonnement, à un taux de répétition supérieur à 1010 Hz; des moyens pour diriger un faisceau pompe (28), sur le milieu à mesurer, ce dernier produisant, en réponse, un faisceau signal (32); des moyens de détection (26), vers lesquels ce faisceau signal est dirigé; des moyyens (14) pour diriger un faisceau sonde (30), vers les moyens de détection (26); des moyens (34) pour échantillonner un signal incident sur le détecteur (26), résultant de l'interférence entre le faisceau signal (32) émis par le milieu et le faisceau sonde (30); des moyens (44-1, 44-2, ...) pour faire varier un instant de déclenchement des moyens d'échantillonnage.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF INTERFEROMETRIQUES DE CARACTERISATION D'UN MILIEU
DESCRIPTION
Domaine technique et art antérieur
L'invention concerne le αomaine de la caracterisation ou de la mesure de milieux a l'aide d'une technique interférométrique de type Martm- Puplett. Une telle technique est particulièrement bien adaptée a la caracterisation de milieux condensés, ou gazeux, ionises, tels que des plasmas De tels milieux ont αes durées de vie parfois très oreves, et présentent alors un caractère fortement évolutif αans un état hors équilibre thermodynamique II est donc particulièrement délicat d'acquérir une connaissance précise, de l'évolution spatio-temporelle des caractéristiques physiques de ces milieux.
L'invention s'applique non seulement a l'étude αes plasmas, tεis que les plasmas ce soudure laser ou as souαure a l'arc, les plasmas αe fusion magnétique, ou les plasmas αe fusion par confinement ir.ertiel, rais elle s'applique également a l'etuαe αe la matière condensée, des gaz ionises, des claquages αans les gaz (notamment pour l'etuαe du fonctionnement des bougies, des éclateurs, de la foudre) Un autre domaine d'application est celui de l'etuαe αe la combustion dans les tuyères de reacteurs (en aéronautique) ainsi que l'étude de 1 ' îonospnere et de la mag^etospnere en pαysiαue spatiale
Pour mesurer et connaître les propriétés thermoαynamiques, électroniques et onysico-cmmiαues αes milieux ionises a durée de vie transitoire et a caractère évolutif teis αue les olasmas laser, -1 est généralement mis en oeuvre des moyens de diagnostic et de spectroscopie faisant appel a 1 ' eclairement de ce milieu par une source de rayonnement électromagnétique (du type radiation X) , cette source ayant une intensité permettant d'illuminer le milieu étudie pendant sa phase évolutive transitoire. La source doit en outre permettre la génération d'un rayonnement tel que les mesures, soit de la partie réfléchie, soit de la partie transmise, de ces rayonnements puissent révéler les caractéristiques physiques temporelles spécifiques dudit milieu.
Ainsi, on connaît un procède mettant en oeuvre une source de rayonnements en impulsion, soit conerent (laser) , soit incohérent (rayons X) Dans le cas ou le rayonnement source est up rayonnement laser conerent, la caracterisation du rayonnement transmis par le milieu de plasma ionise peut être réalisée par une mesure de polarisation rotatoire magnétique, a partir de laquelle il est possible αe calculer le gradient spatial αe densité et celui de température c'ui milieu ionise
La durée de vie des milieux etucies est en gênerai telle qu'il n'est pas possiole d'utiliser plusieurs impulsions successives de rayonnement pour "sonder" le milieu. L'étude ne peut donc avoir lieu qu'en monocoup. Une mesure résolue en temps est alors difficilement applicable, et doit mettre de toute manière en oeuvre une technique d' ecnantillonnage rapide Même avec un tel ecnantillonnage ternoorei, la mesure ne délivre qu'une information glooale sur le rayonnement électromagnétique émis par _e milieu, information qui est moyennee
Figure imgf000004_0001
jpe zone très localisée du milieu n'émet cependant pas systématiquement de rayonnement électromagnétique détectable, celui-ci Douvant être aosoroe par _e milieu ionisé environnant ou par une zone à forte instabilité thermodynamique. Donc, même s'il est possible de mettre en oeuvre une résolution temporelle élevée, les informations recueillies à l'aide de ce seul élément de diagnostic ne délivrent finalement que des données moyennes d'ensemble de l'état physique du milieu. Pour améliorer la compréhension des phénomènes physiques à l'intérieur du milieu, le système monocoup nécessite un élément de diagnostic complémentaire qui puisse restituer l'aspect cartographique de l'émission de rayonnement : il est nécessaire d'obtenir une résolution spatiale du milieu étudié, ce qui est d'autant plus délicat que ledit milieu peut avoir une épaisseur ou une extension spatiale très faible (de l'ordre de quelques dizaines de micromètres) .
Une autre limitation importante des dispositifs de l'art antérieur est la suivante. Le signal à détecter par le dispositif à échantillonnage rapide ne peut pas être modulé temporellement, et un niveau de bruit important du système affecte ia sensibilité de ia mesure par échantillonnage et limite l'application a l a détection et à ia mesure de signaux c' amplitude élevée, ressortant nettement au-dessus au bruit au système électronique associé.
ExDosé de 1 ' invention
L'invention a donc pour objet un dispositif et un procédé mterférométriques, pour la caracterisation d'un milieu, permettant d'obtenir à la fois une résolution temporelle et une résolution spatiale du milieu
A cette fin, l'invention a d'aborc pour oojet un αispositif interférométrique de caracterisation d'un milieu comportant : - des moyens pour engendrer un train d'impulsions d'un rayonnement, à un taux de répétition supérieur à 1010Hz,
- des moyens pour diriger, à partir dudit train d'impulsions, un faisceau, dit faisceau pompe, sur le milieu à mesurer ou à caractériser, ce dernier produisant, en réponse au train d'impulsions du faisceau pompe, un faisceau signal,
- des moyens de détection, vers lesquels ce faisceau signal est dirigé,
- des moyens pour diriger, à partir du train d'impulsions, un faisceau, dit faisceau sonde, vers les moyens de détection,
- des moyens pour échantillonner un signal incident sur le détecteur, résultant de l'interférence entre le faisceau signal émis par le milieu et le faisceau sonde,
- des moyens pour faire varier un instant de déclenchement des moyens d'échantillonnage. Le fait de mettre en oeuvre un tel dispositif mterférométrique permet d'obtenir une résolution temporelle suffisante. En outre, l'instant d'échantillonnage étant variable, le signal à détecter provient de profondeurs différentes à l'intérieur du milieu étudié, puisque la zone vue par le détecteur est celle atteinte par le rayonnement excitateur dans le milieu, à l'instant où l'échantillonnage commence.
Le train d'impulsions peut être obtenu par réflexion d'une seule impulsion sur un miroir mterférentiel multicouche, chaque impulsion du train d'impulsions correspondant à la réflexion de l'impulsion initiale sur chaque couche du miroir.
Du fait de la mise en oeuvre d'un miroir réflecteur multicouche, la modulation des faisceaux de pompage et de sonde n'est pas de type actif, mais de type passif : le miroir joue le rôle de séquenceur, en délivrant un tram d'impulsions à un taux de répétition supérieur à celui de tous les dispositifs modulateurs existants. Les impulsions engendrées peuvent être du type rayon X. Dans ce cas, il est commode de mettre en oeuvre un laser émettant des impulsions laser en direction d'une cible d'un matériau solide, les rayons X étant alors obtenus par impact du laser sur la cible solide.
De même, dans le cas où l'étude du milieu nécessite la mise en oeuvre d'un rayonnement ultraviolet, les moyens pour engendrer un train d'impulsions peuvent être des moyens pour produire des impulsions de rayonnement ultraviolet. Ceci peut être obtenu par multiplication, à l'aide de moyens non linéaires, de la fréquence d'un rayonnement impulsionnel ultraviolet, visible ou infrarouge émis par un laser impulsionnel. Du fait des durées de vie en général très limitées des milieux à étudier, le laser peut être un laser du type "femtoseconde", les impulsions émises étant d'une largeur temporelle inférieure à 10~13 s
Le détecteur choisi est de préférence un détecteur ultrarapide, de composition CdTe, GaAs, SiO/saphir, ou diamant.
Le choix du diamant est en général préférable, car ce matériau est le plus performant du point de vue de la résistance aux radiations. De toute façon, du fait des phénomènes très rapides mis en jeu, le matériau constitutif du détecteur est αe préférence un matériau photoconducteur ultrarapiαe, la durée de vie des porteurs étant inférieure à la picoseconde. L'invention concerne également un procédé interférométrique de caracterisation d'un milieu, comportant :
- la génération d'un train d'impulsions d'un rayonnement, à une fréquence de répétition supérieure à 1010 Hz,
- l'émission à partir du tram d'impulsions d'une part d'un faisceau pompe en direction du milieu, et, d'autre part, d'un faisceau sonde en direction de moyens de détection,
- la réception, par ces moyens de détection, d'une part du faisceau sonde et, d'autre part, d'un faisceau signal réemis par le milieu a mesurer en réponse a l'excitation par le faisceau pompe, - l'échantillonnage du signal obtenu, au niveau du détecteur, par interférence du faisceau signal émis par le milieu et du faisceau sonde.
L'échantillonnage peut avoir lieu selon la méthode d'échantillonnage par autocorrélation. Le train d'impulsions peut être obtenu à partir d'une impulsion unique réfléchie sur un miroir interférentiel multicouche.
Les impulsions peuvent être des impulsions de rayonnement X, qui peuvent être obtenues par émission d'impulsions laser sur une cible d'un matériau solide, l'impact du laser sur la cible produisant les rayons X.
De même, les impulsions peuvent être des impulsions de rayonnement ultraviolet, obtenues par exemple par émission d'impulsions laser dans le domaine ultraviolet, visible ou infrarouge, et par multiplication de la fréquence du rayonnement laser par un cristal non linéaire.
Dans tous les cas, il est préférable, afin d'étudier des milieux de durée de vie très brève, d'utiliser un laser du type "femtoseconde" , et de toute façon un laser émettant des impulsions de largeur temporelle inférieure à 10~13 s>
Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 2A a 2C représentent l'évolution temporelle de divers signaux ou faisceaux mis en oeuvre dans le cadre d'un procédé selon l'invention,
- la figure 3 est un schéma αe principe d'un autocorrélateur à échantillonnage optoélectronique.
Description détaillée de modes de réalisation de 1 ' invention
La figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention. Un laser, non représente sur la figure, émet des impulsions d'un rayonnement référence 2 sur la figure. Ce rayonnement est focalisé par une lentille 4 a la surface d'une cible solide 6. Les impulsions émises par le laser sont de préférence des impulsions de type femtoseconde, avec une largeur temporelle de l'ordre de ]_0-14_]_o_13 s La cible 6 est composée d'un matériau métallique de type titane, nickel, zinc ou tungstène. Sous l'effet du faisceau laser focalise 2, une émission radiative de la surface de cette cible a lieu, et il en resuite l'émission d'un rayonnement intense 8 de radiation X, dont les caractéristiques énergétiques et spectrales dépendent du matériau cible sélectionne. Le faisceau de rayonnement X ainsi obtenu est réfléchi par un miroir 12, pour rayons X, en direction d'un miroir multicouche 14. Ce miroir comporte essentiellement une série de couches alternées 16, 18, 20, 22. Pour l'application au domaine de rayonnement X, ces couches peuvent être par exemple alternativement des couches de carbone et de tungstène, ou de tungstène et de molybdène.
Ce miroir multicouche permet de transformer une impulsion de rayonnement X unique, incidente, en une pluralité ou train d'impulsions. En effet, une impulsion unique de rayonnement X va subir une propagation et des réflexions successives sur les couches empilées. A partir des coefficients d'absorption et de réflexion des couches du miroir 14, il est possible de choisir l'espacement et le nombre des couches réflectrices du miroir en fonction de la plage temporelle sur laquelle le tram d'impulsion doit être étale. Si n est l'indice du matériau constitutif d'une couche du miroir, a la longueur d'onde moyenne des radiations X, et sachant qu'un retard de nxlOO femtosecondes supplémentaires correspond a une épaisseur de couche de 30 μm (pour des directions d'incidence et de réflexion orthogonales) , il est possible de sélectionner l'écart temporel entre les impulsions X du train d'impulsions.
En fait, le miroir multicouche 14 permet :
- d'une part de diriger deux faisceaux réfléchis, comportant chacun un tram d'impulsions X ayant les mêmes caractéristiques temporelles, l'un des faisceaux étant émis vers le milieu a étudier 2& et l'autre (faisceau sonde 30 ou faisceau de référence) étant émis en direction d'un détecteur 26,
- a moduler et à distribuer temporellement une impulsion unique de rayonnement X primaire en une pluralité ou en un train d'impulsions X retardées régulièrement dans le temps, remplaçant ainsi ou jouant ainsi le rôle d'une pluralité de sources X décalées dans le temps. Du fait de l'ouverture angulaire du faisceau de radiation X sur le miroir multicouches, l'angle solide du faisceau X réfléchi est suffisant pour séparer (par collimation) ce faisceau en deux branches distinctes selon deux directions différentes. L'évolution temporelle de l'intensité du faisceau laser impulsionnel est représentée schématiquement en trait plein sur la figure 2A, tandis que la courbe en traits interrompus représente schématiquement l'évolution temporelle de l'impulsion de rayonnement X obtenue après claquage en surface de la cible 6. Cette deuxième impulsion est plus large que la première : pour une impulsion laser de l'ordre de IO"*14 s, l'impulsion de rayonnement X a une largeur temporelle d'environ 10~12 S- La figure 2B représente l'évolution temporelle du train d'impulsions obtenu après réflexion d'une impulsion unique de rayonnement X sur le miroir multicouche 14. Le tram d'impulsions comporte autant de pics ou d'impulsions élémentaires, qu'il y a de réflexions sur le miroir 14. Chacun des deux faisceaux, le faisceau émis en direction du milieu 24 à étudier, et le faisceau de référence 30 émis en direction du détecteur 26, ont la même distribution temporelle que celle représentée sur la figure 2B. L'interaction du tram d'impulsions, c'est-à- dire du faisceau 28 avec le milieu 24, provoque la réémission, par ce dernier, d'un faisceau signal 32 en direction du détecteur 26. L'évolution temporelle du signal 32 est schématiquement représentée sur la figure 2C. Le détecteur est donc soumis à deux faisceaux : le faisceau de référence 30 issu directement du miroir multicouche 14, et le faisceau signal 32, réémis par le milieu 24. Ces deux faisceaux interfèrent au niveau du détecteur 26 : le champ à prendre en compte pour le d →écle→nchem-ent de ce dernier est le champ électrique
E = Eo+ E»2, où -E»o est la contribution du faisceau 0 au champ électrique, au niveau du détecteur 26, et →3 E2 est la contribution du faisceau 32 au champ électrique, au nive —au du détecteur 26. Par conséquent, si les champs E >o et →E2 sont, à un certain instant t, en phase, le détecteur est sensible au champ total et est déclenché. Par contre, si, a un instant t', les → → composantes Eo et E2 sont en opposition de phase, le champ résultant est nul au niveau du détecteur 26 et ce dernier n'est pas déclenché. Ce principe permet de
"marquer" le faisceau signal 32 avec une référence temporelle connue (le faisceau 30) . Le détecteur rapide ou ultrarapide 26 est sensible dans la gamme de rayonnements a étudier. Pour des rayons X, ce peut être par exemple un détecteur a base d'un matériau photoconducteur ultrarapide, la durée de vie des porteurs étant inférieure à la picoseconde. Un tel matériau peut être du CdTe, du GaAs, du silicium dopé oxygène sur du saphir, du diamant, etc .... Le diamant le matériau le plus performant, car le plus résistant aux radiations.
Ce détecteur 26 peut être couple a un dispositif autocorrélateur optoélectronique 34, a contact glissant. Cet échantillonneur est un microsysteme capable d'analyser les impulsions jusqu'à 50 gigahertz. Schématiquement, un tel dispositif est représenté sur la figure 3. C'est un composant intègre, réalise dans une technologie de type microélectronique. Il comporte une ligne de propagation principale 36 sur laquelle est envoyé le signal unique S(t) à échantillonner, ainsi que n lignes d'échantillonnage 38-1, 38-2, 38-3, ..., 38-n. Ces lignes d'échantillonnage 38-ι (l≤i≤n) sont disposées en "peigne" le long de la ligne principale. Entre chacune des lignes d'échantillonnage 38-ι et la ligne principale 36 se trouve un plot 40-ι (l≤i≤n) de matériau photoconducteur. Chaque ligne d'échantillonnage est par ailleurs également reliée a une capacité de stockage 42-1, 42-2, ....42-n ainsi qu'a une électronique d'acquisition non représentée sur la figure 3. Chaque élément photoconducteur 40-1, 40-2, ...
40-n est déclenché par une impulsion laser ultrarapide. Un moyen commode d'obtenir, pour chaque élément photoconducteur une telle impulsion, consiste, comme illustre sur la figure 1, à prélever dans le faisceau 2 du laser femtoseconde un faisceau secondaire 44-1, a l'aide d'un miroir 46. Ce faisceau secondaire 44-1 peut être lui-même divise en plusieurs sous-faisceaux 44-2, ..., 4^-n, a l'aide de miroirs 43-2, ..., 43-n partiellement transparents interposes sur son trajet. Le sous-faisceau principal 44-1 vient déclencher l'élément photoconducteur 40-1. Un premier sous- faisceau secondaire 44-2 obtenu à l'aide du miroir 43-2 vient déclencher l'élément photoconducteur 40-2 a un instant déterminé par la longueur de la ligne a retard définie par le trajet du faisceau entre le miroir 43-2 et l'élément photoconducteur 40-2. De même, le troisième élément photoconducteur 40-3 est déclenche par un second sous-faisceau secondaire 44-3, a un instant lui-même défini par la longueur d'une seconde ligne a retard. Ce principe de déclenchement est appliqué à tous les éléments photoconducteurs 40-ι (l≤i ≤n) , celui-ci étant déclenché à un instant t1 défini par la longueur de la îème ligne à retard. L'impulsion laser ultrarapide incidente sur un photoconducteur 40-ι ferme l'interrupteur constitué par ce photoconducteur. Un signal est alors prélevé, qui correspond à l'intensité du signal S en regard de la ligne i à l'instant tx de fermeture du photoconducteur. D'autres détails concernant la réalisation de l'échantillonneur optoélectrique ainsi que le procédé de mesure correspondant peuvent être trouvés dans la publication de la demande européenne EP-327 420. En particulier, chaque matériau photoconducteur peut être par exemple de l'arsemure de gallium basse température, tandis que les lignes de transmission principale et secondaire peuvent être en aluminium.
Un circuit électronique de mesure, par exemple de type amplificateur de charge, et d'enregistrement des signaux délivrés par chaque ligne d'échantillonnage 38-ι est également prévu, mais n'est pas représente sur la figure 3.
Avec ce dispositif, le pas temporel d'échantillonnage du signal délivre par le. photodetecteur 26 est défini par la distance spatiale entre deux lignes 38-ι voisines, ainsi qu'expliqué dans la publication mentionnée ci-dessus. De même, le faisceau principal de déclenchement 44-1, prélevé dans le faisceau laser femtoseconde 2, déterminant l'instant auquel le premier photoconducteur 40-1 est fermé, détermine 1 ' instant auquel l'échantillonnage va commencer. Suivant la longueur du trajet parcouru par ce faisceau 44-1, cet instant de déclenchement définira la portion du plasma ou du milieu 2^ étudie en provenance de laquelle les signaux analysés seront réémis. Ceci signifie qu'il est possible de cnoisir d'échantillonner des signaux provenant d'une zone 50 périphérique du milieu étudié 24 ou d'une zone 52 se trouvant en profondeur dans le milieu étudié 24. Ainsi, en faisant varier l'instant de déclenchement du dispositif d'échantillonnage, on obtient une image d'une "tranche", ou d'une zone, plus ou moins profonde du milieu étudié 24. En fait d'image, il s'agit plutôt de l'analyse temporelle du signal réémis par ladite zone ou ladite tranche. Par conséquent, on obtient une résolution à la fois temporelle et spatiale du comportement du plasma.
Le fait de disposer d'un processus répétitif permet d'appliquer la technique de modulation- démodulation du signal à détecter (suivant une fréquence fixe) . Cela permet par traitement du signal a posteriori, d'augmenter le rapport signal/bruit du continuum.
Le dispositif décrit ci-dessus correspond à une analyse du milieu effectuée à l'aide de rayons X. En fait, le principe de l'invention n'est pas limité à la mise en oeuvre de rayons X, mais peut s'appliquer également, par exemple, à la mise en oeuvre de rayons ultraviolets. A cette fin, on utilise un dispositif laser femtoseconde émettant dans l'infrarouge, ou le visible ou dans l'ultraviolet, et dont le rayonnement traverse ensuite une cellule d'un matériau non linéaire, par exemple un doubleur ou un tripleur de fréquence (matériau de type KDP ou KTP) , adapté d'une part à la fréquence du rayonnement laser et d'autre part à la fréquence d'investigation souhaitée. La formation d'un train d'impulsions a partir d'une impulsions unique est réalisée alors de la même manière que décrite ci-dessus : un miroir multicouche, dont les couches sont adaptées à la longueur d'onde du faisceau a réfléchir, permet d'obtenir de tram d'impulsions, et le faisceau est ensuite dirigé vers le milieu à analyser. Par exemple, pour l'ultraviolet, le miroir multicouches peut comporter un empilement de couches, en silice fondue, dont les transparences aux rayonnement ultraviolet sont élevées, mais dont les sauts d'indice au niveau des dioptres entre chaque couche (de nuance de silices différentes) sont suffisants pour renvoyer une composante réfléchie distincte. De même, un faisceau sonde ou de référence est émis directement en direction du détecteur destiné à recevoir les faisceaux réémis par le milieu à étudier. Le même principe d'analyse spatio-temporelle est ensuite applicable. Le détecteur est choisi en fonction du domaine spectral du faisceau de référence et du faisceau réémis par le milieu à étudier. De manière identique à celle décrite ci-dessus, un faisceau de déclenchement est prélevé dans le faisceau laser, et une pluralité de lignes à retard sont formées à l'aide ce faisceau, afin de déclencher les différents éléments photoconducteurs d'un autocorrélateur à échantillonnage optoélectronique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif interferometrique de caracterisation d'un milieu (24), comportant :
- des moyens (2, 6, 8, 12, 14) pour engendrer un train d'impulsions d'un rayonnement, à un taux de répétition supérieur a lO^Hz,
- des moyens pour diriger, à partir dudit train d'impulsions, un faisceau, dit faisceau pompe (28), sur le milieu a mesurer ou à caractériser, ce dernier produisant, en réponse au tram d'impulsions du faisceau pompe, un faisceau signal (32),
- des moyens de détection (26) , vers lesquels ce faisceau signal est dirige,
- des moyens (14) pour diriger, a partir du tram d'impulsions, un faisceau (30), dit faisceau sonde, vers les moyens de détection (26) ,
- des moyens (34) pour échantillonner un signal incident sur le détecteur (26) , résultant de l'interférence entre le faisceau signal (32) émis par le milieu et le faisceau sonde (30),
- des moyens (44-1, 44-2, ...) pour faire varier un instant de déclenchement des moyens d' échantillonnage.
2. Dispositif interferometrique selon la revendication 1, les moyens pour engendrer un tram d'impulsions comportant des moyens (2, 4, 6) pour engendrer une seule impulsion (8), et un miroir mterférentiel multicouche (14), pour obtenir un train d'impulsions par suite de la réflexion de l'impulsion (8) sur chaque couche (16, 18, 20, 22) du miroir.
3. Dispositif interferometrique selon la revendication 1 ou 2, les moyens (2, 4, 6) pour engendrer un tram d'impulsions permettant d'engendrer des impulsions de rayons X.
4. Dispositif selon la revendication 3, comportant un laser émettent des impulsions laser (2) sur une cible (6) d'un matériau solide, les rayons X étant obtenus par impact du laser sur la cible.
5. Dispositif selon les revendications 2 et 4, le miroir (14) comportant des couches alternées (16, 18, 20, 22) de carbone et de tungstène.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, les moyens pour engendrer un train d'impulsions permettant d'engendrer des impulsions de rayonnement ultraviolet.
7. Dispositif selon la revendication 6, comportant un laser impulsionnel émettant des impulsions de rayonnement ultraviolet, visible ou infrarouge et des moyens non-linéaires permettant de multiplier la fréquence du rayonnement produit par le laser.
8. Dispositif selon les revendications 2 et 7, le miroir comportant des couches alternées de silice fondue.
9. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 7, le laser émettant des impulsions de largeur temporelle inférieure à ÎO-1^ S-
10. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, le détecteur étant un détecteur ultrarapide, de composition CdTe, GaAs, SiO sur saphir, ou diamant.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, les moyens d'échantillonnage (34) comportant un dispositif optoélectronique.
12. Dispositif selon la revendication 11 et l'une des revendications 4 ou 7, le dispositif optoélectronique comportant une ligne de propagation principale (36) et une pluralité de lignes d'échantillonnage {38-1, 38-2, 38-3,...), chaque ligne d'échantillonnage étant reliée à la ligne de propagation par un élément de déclenchement (40-1, 40-2, 40-3, ...) .
13. Dispositif selon la revendication 12, l'élément de déclenchement étant un élément photoconducteur.
14. Procédé interférométrique de caracterisation d'un milieu (24), comportant :
- la génération d'un train d'impulsions d'un rayonnement, à une fréquence de répétition supérieure a 1010 Hz,
- l'émission à partir du train d'impulsions d'une part d'un faisceau pompe (28) en direction du milieu, et, d'autre part, d'un faisceau sonde (30) en direction de moyens de détection (26) , - la réception, par ces moyens de détection, d'une part du faisceau sonde (30) et, d'autre part, d'un faisceau signal (32) réémis par le milieu (24) à mesurer ou à caractériser, en réponse à l'excitation de ce dernier par le faisceau pompe (28), - l'échantillonnage du signal obtenu, au niveau du détecteur (26) , par interférence du faisceau signal (32) émis par le milieu et du faisceau sonde (30) .
15. Procédé selon la revendication 14, chaque tram d'impulsions étant obtenu à partir d'une impulsion unique réfléchie sur un miroir mterferentiel multicouches (14) .
16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, les impulsions étant des impulsions de rayonnement X.
17. Procédé selon la revendication 16, comportant l'émission d'impulsions laser (2) vers une cible de matériau solide (6), les rayons X étant produits par impact du laser sur la cible.
18. Procédé selon les revendications 15 et 17, le miroir comportant des couches alternées (16, 18, 20, 22) de carbone et de tungstène.
19. Procédé selon la revendications 14 ou 15, les impulsions étant des impulsions de rayonnement ultraviolet.
20. Procédé selon la revendication 19, comportant l'émission d'impulsions laser dans le domaine de rayonnement ultraviolet, visible ou infrarouge et la multiplication de la fréquence du rayonnement par un cristal non linéaire.
21. Procédé selon l'une des revendications 17 ou 20, le laser émettant des impulsions de largeur temporelle inférieure à ÎO-1 s.
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