Étude numérique et expérimentale de la diffraction en géométrie conique de réseaux optiques aux longueurs d’ondes X et UV

Numerical and experimental study of diffraction by optical gratings in conical geometry at X-ray and UV wavelengths

• Auteur / Autrice : Ahmed Akarid
• Direction : François Polack
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 01/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synchrotron SOLEIL
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Danielle Dowek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Polack, Danielle Dowek, Gérard Granet, Luca Poletto, Sébastien de Rossi, Sophie Kazamias, Nicolas Bonod
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Granet, Luca Poletto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarisation (lumière)

Réflectance

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Rayonnement ultraviolet

Rayons X -- Diffraction

Réseaux de diffraction

Mots clés libres

Diffraction conique

Réseaux optiques

Rayons X; UV

Calcul électromagnétique

Efficacité de diffraction

Polarisation de la lumière

Conical diffraction

Optical grating

X-Rays; UV

Electromagnetic computation

Diffraction efficiency

Polarization of light

Résumé

L’utilisation de réseaux optiques dans la géométrie de diffraction conique a connu ces dernières décennies un essor remarquable dans les domaines UV et X grâce à ses propriétés particulières: absence de l’écrantage derrière les traits du réseau aux incidences rasantes, faible dispersion angulaire limitant l’étirement temporel, efficacité de diffraction élevée. Son usage s’est imposé pour la monochromatisation d’impulsions ultra-brèves. C’est aussi l’une des deux options retenues par la Nasa pour le spectrographe à réseau de l’Observatoire à rayon X de la future mission Lynx. Ce travail de thèse contribue au développement de méthodes numériques pour modéliser les effets de diffraction par des réseaux dans une géométrie encore peu étudiée sous cet aspect. La complexité de cette étude réside dans le couplage inhérent entre les deux états fondamentaux de polarisation. Du point de vue numérique, il impose un calcul ‘’vectoriel’’, là où, en géométrie classique des calculs scalaires suffisent. Notre travail s’est appuyé sur les méthodes numériques de calcul de diffraction par des structures périodiques déjà développées dans le cadre de la géométrie classique. Ces méthodes sont basées sur la théorie différentielle, qui consiste à propager une série d’ondes planes au travers de la zone modulée. La méthode différentielle employée est complétée par l’usage de l’algorithme de propagation de la matrice réflectivité. On contourne ainsi certains problèmes de convergence. Dans la partie théorique de ce travail, ces algorithmes sont étendus pour s’adapter aux cas de géométrie oblique. Sur cette base théorique, nous avons pu développer un code de calcul, nommé COROX, fonctionnant dans toutes les géométries d’utilisation. Un certain nombre de réseau types ont été étudiés, tant en géométrie oblique que classique, pour mettre en évidence, non seulement les efficacités de diffraction mais encore les effets de polarisation, (paramètres de Stokes et matrice de Müller) ainsi que les phases spectrales. Des propriétés intéressantes ont été remarquées, comme l’existence d’une composante circulaire non négligeable diffractée par réseau lamellaire quand l’onde incidente polarisée à 45° par rapport au plan du réseau. Le comportement de la phase spectrale est également une donnée significative pour une future gestion d’impulsions ultra-brèves. Des mesures de diffraction ont été effectuées sur la ligne Métrologie du Synchrotron SOLEIL, sur un réseau blazé de 150 traits/mm. Un accord raisonnable entre efficacités mesurées et calculées est constaté si l’on tient compte de la forte rugosité du réseau étudié.

The conical geometry of optical grating diffraction has been suggested and studied, in the last 10 years, for cutting edge applications in the VUV and X-ray domains, due to its specific properties such as: absence of screen inside the grating grooves at grazing incidence, low angular dispersion which limits the temporal spread of short pulses, very high diffraction efficiencies. It has been accepted as the first choice technology for VUV short pulses monochromatization. It is also one of the two options selected by NASA, for the grating spectrograph of the future X-ray Observatory of the Lynx mission. This thesis reports our contribution to the development of numerical methods in order to model the effects of diffraction by optical gratings in this still little studied geometry. This study is made more complex by an inherent coupling between the two fundamental polarization modes. From the numerical aspect, it requires performing “vectorial” computations, whereas, in a classical diffraction geometry, scalar computations are sufficient. Our work is based on numerical methods already developed for modeling optical diffraction by periodic structures in the framework of classical geometry. These methods are using on the differential theory, whose main concept is propagating a set of plane waves throughout the modulated area. We use the differential method together with an algorithm of reflectivity matrix propagation. It overcomes some of the convergence issues. In the theoretical part of this work, reflectivity matrix algorithms are extended to the case of oblique geometry. On these theoretical grounds, we developed a computation code, named COROX, which can be applied in any geometry. A number of typical grating cases have been studied, both in the conical and of le classical one. The output is not only the diffraction efficiencies, but also the polarization properties (Stokes parameters, Müller matrix), as well as the spectral phases. Interesting properties have been noticed, such as the presence of a non-negligible circularly polarized component diffracted from a lamellar grating when the incident wave is linearly polarized at 45° from the grating plane. The spectral phase behavior is also a significant data for an eventual shape tayloring of ultrashort pulses. Diffraction efficiency measurements have been performed on the Metrology beamline of Synchrotron SOLEIL, using a 150 lines/mm blazed grating as a test object. A reasonable agreement between measured and computed efficiencies has been obtained, provided that the rather high roughness of this grating is taken into account.