Développement et caractérisation d'une ligne de lumière stabilisée à 13,5 nanomètres portant un moment angulaire orbital // Development and characterization of a reliable 13.5 nm EUV OAM carrying photon beamline

La gamme d'énergie de photons de l'extrême ultraviolet (EUV, 10-100 nm) est cruciale pour de nombreuses applications allant de la physique fondamentale (attophysique, femto-magnétisme) aux domaines appliqués telles que la lithographie et la microscopie à l'échelle du nanomètre. Cependant, il n'existe pas de source naturelle de lumière dans ce domaine spectral sur Terre, car les photons sont fortement absorbés par la matière, ce qui nécessite un environnement sous vide. Il faut donc s'en remettre à des sources coûteuses, telles que les synchrotrons, les lasers à électrons libres ou les plasmas générés par des lasers intenses. La génération d'harmoniques laser d'ordre élevé (HHG), découverte il y a 30 ans et récompensée par le prix Nobel de physique en 2023, est une alternative prometteuse en tant que source de rayonnement EUV à l'échelle du laboratoire. Basée sur une interaction fortement non linéaire entre un laser de très courte durée et un gaz atomique, elle permet l'émission d'impulsions EUV d'une durée allant de la femtoseconde à l'attoseconde, avec des propriétés de cohérence très élevées et des flux relativement importants. Malgré des recherches intensives qui ont permis de comprendre clairement le phénomène, son utilisation a jusqu'à présent été essentiellement circonscrite aux laboratoires. Pour combler le fossé qui nous sépare des applications industrielles, il faut accroître la fiabilité de ces lignes de lumière, soumises à d'importantes fluctuations en raison de la forte non-linéarité du mécanisme, et développer des outils pour mesurer et contrôler leurs propriétés.

Le CEA/LIDYL et la PME Imagine Optic ont récemment réuni leur expertise dans un laboratoire commun afin de développer une ligne de faisceau EUV stable dédiée à la métrologie et aux capteurs EUV. Le laboratoire NanoLite, hébergé au CEA/LIDYL, est basé sur une ligne de faisceau HHG compacte à haut taux de répétition fournissant des photons EUV autour de 40eV. Plusieurs capteurs de front d'onde EUV ont été étalonnés avec succès au cours des dernières années. Cependant, de nouveaux besoins sont apparus récemment, entraînant la nécessité de moderniser la ligne de faisceau.

Le premier objectif du doctorant sera d'installer une nouvelle géométrie HHG sur la ligne de faisceau afin d'améliorer sa stabilité et son efficacité globales et d'augmenter l'énergie des photons à 92eV, une cible en or pour la lithographie. Il mettra ensuite en œuvre la génération d'un faisceau EUV porteur d'un moment angulaire orbital et améliorera le détecteur d'Imagine Optic pour caractériser son contenu en OAM. Enfin, avec l'aide des ingénieurs d'Imagine Optic, il développera une nouvelle fonctionnalité pour leurs capteurs de front d'onde afin de permettre la caractérisation de grands faisceaux.
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The Extreme UltraViolet (EUV) photon energy range (10-100 nm) is crucial for many applications spanning from fundamental physics (attophysics, femto-magnetism) to applied domains such as lithography and nanometer scale microscopy. However, there are no natural source of light in this energy domain on Earth because photons are strongly absorbed by matter, requiring thus vacuum environment. People instead have to rely on expensive large-scale sources such as synchrotrons, free electron lasers or plasmas from large lasers. High order laser harmonic generation (HHG), discovered 30 years ago and recognized by the Nobel Prize in Physics in 2023, is a promising alternative as a laboratory scale EUV source. Based on a strongly nonlinear interaction between an ultrashort intense laser and an atomic gas, it results in the emission of EUV pulses with femto to attosecond durations, very high coherence properties and relatively large fluxes. Despite intensive research that have provided a clear understanding of the phenomenon, it has up to know been mostly limited to laboratories. Breaching the gap towards applied industry requires increasing the reliability of the beamlines, subjects to large fluctuations due to the strong nonlinearity of the mechanism, and developing tools to measure and control their properties.

CEA/LIDYL and Imagine Optic have recently joined their expertise in a join laboratory to develop a stable EUV beamline dedicated to metrology and EUV sensors. The NanoLite laboratory, hosted at CEA/LIDYL, is based on a high repetition rate compact HHG beamline providing EUV photons around 40eV. Several EUV wavefront sensors have been successfully calibrated in the past few years. However, new needs have emerged recently, resulting in the need to upgrade the beamline.

The first objective of the PhD will be to install a new HHG geometry to the beamline to enhance its overall stability and efficiency and to increase the photon energy to 92eV, a golden target for lithography. He will then implement the generation of a EUV beam carrying orbital angular momentum and will upgrade Imagine Optic’s detector to characterize its OAM content. Finally, assisted by Imagine Optic engineers, he will develop a new functionality to their wavefront sensors in order to enable large beam characterization.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers
Laboratoire : Dynamique et Interactions en phase COndensée
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Ondes et Matière (EDOM)
Directeur de thèse : Boutu Willem
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/LIDyL/DICO
URL : https://iramis.cea.fr/pisp/willem-boutu-2/
URL : https://iramis.cea.fr/en/lidyl/dico/extreme-ultraviolet-metrology-the-nanolite-light-line/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers

Master 2 in physics and/or optics, with compulsary international mobility conditions