Amplification de l'énergie d'une source VUV cohérente à 125 nm dans une plume d'ablation de mercure

Energy amplification of a coherent VUV source at 125 nm in a mercury ablation plume

• Auteur / Autrice : Laurent Philippet
• Direction : Marie-Claude Castex
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lithographie par faisceau d'ions

Fluorescence induite par laser

Spectroscopie résolue en temps

Rayonnement ultraviolet

Résumé

Ce travail est consacré à l’étude d’une technique originale basée sur l’ablation laser du mercure liquide dans le but d’augmenter l’efficacité de conversion d’une source VUV cohérente à 125 nm. Ce rayonnement est obtenu par somme de fréquences résonnante à deux photons (6s 1S0 → 7s 1S0) dans une vapeur de mercure à température ambiante. Les paramètres expérimentaux tels que la géométrie de la plume, l’énergie des faisceaux fondamentaux, la densité d’énergie du laser d’ablation et la pression d’un gaz neutre (ici l’argon qui permet de confiner la plume) ont été optimisées et ont amené une amplification d’un ordre de grandeur (jusqu’à deux ordres de grandeur quand les intensités sont réduites) soit une énergie de 250 nJ. Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu, une caractérisation complète de la plume a été menée grâce à des expériences d’imagerie et de spectroscopie résolues en temps. La luminescence propre de la plume ainsi que la fluorescence induite par l’absorption de deux photons (sur la raie 6s 1S0 → 7s 1S0) nous ont permis de connaître la composition de la plume, d’estimer sa température, les vitesses des différentes espèces et la densité d’atomes à l’état fondamental. Un étalonnage réalisé à partir du signal de somme de fréquences a permis d’obtenir une cartographie du nombre absolu d’atomes de mercure dans l’état fondamental. Nous avons également montré que la manipulation du faisceau VUV est rendue plus simple dans une boîte à gants (ici remplie d’argon) que dans le vide. Une structure périodique, de 100 micronmètres de pas, a été réalisée par lithographie sur du PMMA et des premiers pas vers la lithographie par interférométrie ont été franchis.

This work is devoted to the study of an original technique based on laser ablation of liquid mercury in order to enhance the conversion efficiency of a coherent VUV source at 125 nm. The radiation is obtained by two-photon resonant sum frequency (6s 1S0 → 7s 1S0) in mercury vapor at room temperature. The experimental parameters such as the plume geometry, the energy of the fundamental beams, the laser ablation fluence and the pressure of a buffer gas (here argon which allows to control the plume expansion) have been carefully optimized and led to an amplification of one order of magnitude (two orders of magnitude when intensities are reduced) and an energy of 250 nJ. For a better understanding of the physical phenomena involved in the nonlinear process, a complet characterization of the plume has been set up thanks to time resolved fast photography and spectral analysis of plume emission. The plume luminescence and the two- photon laser induced fluorescence (on the line 6s 1S0 → 7s 1S0) gave us information about the plume constitution, the temperature, the velocity of the different species of the plume and the fundamental atomic density. A calibration realized from the sum frequency signal enabled to obtain a map of the absolute number of mercury atoms in ground state. We have also demonstrated that the VUV beam handling is easier in a glove box (here filled with argon) than in vacuum. A 100 micrometer periodic pattern has been realized by lithography with PMMA and first steps towards interferometric lithography have been achieved.