Effet multiphotonique et mesures effectuées à PHIL Thomas Vinatier & groupe PHIL

Effet multiphotonique ≠ effet tunnel * Photoémission classique (simple photon) : Absorption d’un photon d’énergie hν supérieure au travail de sortie effectif du matériau Weff  Emission d’un électron * Photoémission simple photon par effet tunnel : Absorption d’un photon d’énergie hν inférieure à Weff  Emission possible d’un électron par effet tunnel si barrière de potentiel déformé (champ électrique appliqué dans un canon RF). Ce n’est pas de l’émission multiphotonique. * Photoémission multiphotonique d’ordre n : Absorption « simultanée » de n photons d’énergies hν inférieures à Weff mais tels que n*hν > Weff * Remarque : L’émission multiphotonique a aussi lieu avec des photons d’énergies hν > Weff, mais elle est alors en quantité négligeable comparée à la photoémission classique * Sur PHIL : Cathodes Cu (Weff < 4.67 eV) et Mg (Weff < 3.68 eV) ; Laser UV à 262 nm  Photoémission classique ; Laser vert à 524 nm  Photoémission multiphotonique d’ordre 2 (pas totalement pour Mg)

Effet multiphotonique : théorie * La photoémission d’un métal soumis à un flux de photons est régie par la loi de Fowler-Dubridge (Jn désigne la contribution de l’émission multiphotonique d’ordre n au courant total émis J) : * A = constante de Richardson ; an = constante ~ 10-12n ; T = température ; I = éclairement (W/cm²) ; R = coefficient de réflexion du métal ; F(x) = fonction de Fowler * Toutes les contributions sont toujours présentes à partir de n = 0. Leurs importances changent en fonction des conditions. * an : Absorption de n photons devient de moins en moins probable quand n augmente * In : Plus il y a de photons plus on en absorbe (I), et plus il est probable d’en absorber plusieurs (puissance n) * F(xn) : Les émissions par effet tunnel sont négligeables comparées au multiphotonique

Effet multiphotonique : motivations * L’effet multiphotonique d’ordre 2 finit par devenir plus efficace que la photoémission classique si l’éclairement I est suffisamment important, puis l’ordre 3 aussi si I augmente encore …. Credits to Hugues Monard * Remarque : le métal peut être endommagé bien avant que ce seuil ne soit atteint * Les lasers natifs sont souvent dans l’IR ( n = 3 sur la plupart des métaux). Il y a une perte importante de puissance lors de la conversion en fréquence + les lasers sont plus courts dans l’IR que dans le visible et l’UV  Le multiphotonique devient plus efficace pour un éclairement en fait beaucoup plus faible que celui déduit de Fowler Dubridge.

Effet multiphotonique : mesures à PHIL - Comparaison Cu/Mg Mg Cu * La charge maximale extraite du Cu par émission multiphotonique d’ordre 2 (524 nm) est de 1.5 pC, alors qu’elle est de 60 pC pour le Mg. Cela vient simplement de l’efficacité quantique supérieure du Mg + Effet Schottky. * Le seuil de dommage du Mg est bien plus bas que celui du Cu  Des précautions sont à prendre quand de grandes énergies lasers sont envoyées sur le Mg (émission explosive si densité surfacique trop grande)

Effet multiphotonique : mesures à PHIL - rendement quantique (cathode Mg) * Q(Elaser) montre un profil parabolique pour des photons verts de 524 nm (cf. graph de droite)  Signature claire de l’émission multiphotonique d’ordre 2 * Efficacité supérieure de l’émission simple photon (262 nm). L’émission multiphotonique d’ordre 2 ne rattrape pas son retard sur PHIL, car l’énergie laser est insuffisante et la limitation due à la force de charge d’espace apparaît très tôt (≈ 50 pC)

Effet multiphotonique : mesures à PHIL - émissions mélangées (cathode Mg) * Les scans charge-phase sont rognés du côté faible phase quand le champ dans le canon diminue. Cela est un signe de la présence non négligeable d’émission simple photon permise par effet Schottky. Néanmoins, ce décalage ne permet pas de retrouver le Beta de la cathode déduit du courant d’obscurité. Cela implique que cette émission n’est pas prédominante sur l’émission multiphotonique d’ordre 2  On a un mélange.

Effet multiphotonique : mesures à PHIL - le futur (Laserix) * L’équipe Laserix est en train de s’installer à côté de PHIL. A partir de Septembre 2015, il sera possible d’utiliser sur PHIL un laser compressé ultracourt : 2 mJ et 30 fs rms à 800 nm (émission multiphotonique d’ordre 3) ; 200 µJ et 100 fs rms à 267nm. Il pourra être échangé avec le laser UV actuel de PHIL : 50µJ et 4.5ps rms à 262nm. 2 mJ – 30 fs – 800 nm OUT IN 5 mJ – 500 ps – 800 nm * Applications : Caractérisation des paquets d’électrons fs et étude de leur dynamique ; Etude de l’émission multiphotonique d’ordre 3 ; Production de photons X-UV (2 nm de longueur d’onde  0.6 keV d’énergie) par diffusion Compton