filamentation laser femtoseconde ir : interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4...
TRANSCRIPT
![Page 1: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/1.jpg)
Soutenance de Thèse
Magali DURAND
Filamentation laser femtoseconde IR :
Interaction de deux filaments et Source de rayonnement secondaire longue distance
Directeur de thèse : A. Mysyrowicz
Encadrants ONERA : O. Vasseur & A. Durécu
![Page 2: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/2.jpg)
Historique de la filamentation laser
• nouvelles technologies laser
– 1982 : Laser femtoseconde basé sur le Ti:Sa
– 1985 : Amplification à dérive de fréquence
=> Puissance crête de plusieurs dizaines de Gigawatts
• 1995 : découverte de la filamentation laser dans l’air
• 1996 : filamentation laser sur 50 m au LOA
2
Strickland et al., 1985
Braun et al., 1995
Nibbering et al., 1996
![Page 3: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/3.jpg)
Principe de la filamentation Laser
3
P > Pcr ~ quelques GW dans l’air • Effet Kerr Important
• Effondrement du faisceau (diamètre de ~100 µm)
• Ionisation du milieu
• Compétition dynamique
Effet Kerr Canal de Plasma d ~ 100 mm
![Page 4: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/4.jpg)
Filamentation : Ordres de grandeurs
4
• Solide transparent • n2 = 3.10-16 cm2/W
• Pcr = 2 MW
• Diamètre du filament : 10 µm
• Intensité : ~ 1013 W.cm-2
2 cm
f = 1m
Photographies du canal de plasma du filament
• Air • n2 = 3,2.10-19 cm2/W
• Pcr = 5 GW
• Diamètre du filament : 100 µm
• Intensité : 5.1013 W.cm-2
![Page 5: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/5.jpg)
Propriétés des filaments
• Maintien d’un cœur intense dans le faisceau sur une longueur excédant largement la longueur de Rayleigh
• Création d’une colonne de plasma
• Génération de rayonnement secondaire
– Continuum de lumière (de l’UV à l’IR)
– Emission conique
– Troisième harmonique
– Rayonnement THz
5
![Page 6: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Recherches effectuées dans cette thèse
• Interaction de deux filaments laser • Y. Liu, M. Durand et al., PRL 105, 055003 (2010)
• M. Durand et al., Appl. Phys. Lett. 98, 121110 (2011)
• Interaction entre deux filaments – Application au contrôle de rayonnement
secondaire
• Etude de la génération de troisième harmonique par filamentation laser
• Y. Liu, M. Durand et al., Opt. Commun. 284, 4706 (2011)
• Rayonnement THz par bifilamentation • M. Durand et al., Opt. Lett. 35, 1710 (2010)
• Filamentation laser dans les solides à différentes longueurs d’onde dans
l’infrarouge • M. Durand et al., ICOMP 2011, Sapporo, Japan
• Campagne de mesures longue distance Canada-Valcartier (DRDC) • M. Durand et al., CThFF3, CLEO 2011, Baltimore, USA
![Page 7: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Rayonnement THz par bifilamentation
• Contrôle par résurgence spontanée de l’alignement moléculaire
• M. Durand et al., Opt. Lett. 35, 1710 (2010)
100 µm 100
À 4,15 ps À 4,25 ps
3.8 3.9 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.50
20
40
60
80
100 THz par bifilamentation
THz par filamentation
Sig
na
l T
Hz (
u.a
.)
retard (ps)
![Page 8: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/8.jpg)
Filamentation laser dans les solides à différentes longueurs d’onde dans l’infrarouge
• Filamentation de 800 nm à 3,4 µm
• Comparaison filamentation dans les domaines de dispersion normale
et anormale
• Comparaison du continuum généré par filamentation laser
• Longueur de filamentation
• M. Durand et al., ICOMP 2011, Sapporo, Japan
8
l0 = 800 nm l0 = 3,4 µm l0 = 1,9 µm
Dispersion normale Dispersion anormale
l0 = 800 nm
l0 = 1,9 µm
![Page 9: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/9.jpg)
Plan de la présentation
• Interaction de deux filaments et réseau de plasma
– Caractérisation spatiale • Interfrange
• Vitesse de déplacement des franges
– Durée de vie du réseau de plasma
– Applications • Echange d’énergie
• Augmentation de la troisième harmonique générée
• Propagation longue distance d’un faisceau TW
– Caractérisation jusqu’à 1,5 km
– Continuum généré à distance dans des solides
9
![Page 10: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/10.jpg)
Plan de la présentation
• Interaction de deux filaments et réseau de plasma
– Caractérisation spatiale • Interfrange
• Vitesse de déplacement des franges
– Durée de vie du réseau de plasma
– Applications • Echange d’énergie
• Augmentation de la troisième harmonique générée
• Propagation longue distance d’un faisceau TW
– Caractérisation jusqu’à 1,5 km
– Continuum généré à distance dans des solides
10
![Page 11: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/11.jpg)
Mise en évidence du réseau de plasma
• Interaction de deux filaments : les deux faisceaux pompes induisent une figure d’interférence qui sera imprimée sur la densité électronique du plasma
• L’interfrange Λ dépend de l’angle d’interaction des deux faisceaux et de la longueur d’onde des deux impulsions (800 nm)
• Images du réseau de plasma pour deux angles d’interaction différents
– j = 6,9° Période du réseau : 6,57 µm Période théorique : 6,65 µm
– j = 10° Période du réseau : 4,46 µm Période théorique : 4,58 µm
1 cm
(a)
(b)
10 µm
φ
11
![Page 12: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/12.jpg)
Influence d’une différence de fréquence
2k
1k
21
21
kkkv
g
• Lorsque les deux faisceaux pompes ont une différence de fréquence , la figure d’interférence de ces deux ondes est modulée par le battement correspondant à cette différence
• Elle se déplace dans la direction kg avec une vitesse v telle que :
gk
12
Déplacement du réseau de plasma nécessaire à l’échange d’énergie
![Page 13: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/13.jpg)
Différence de fréquences par introduction d’un chirp linéaire
• td retard entre les deux impulsions
• L’introduction d’un chirp linéaire permet d’obtenir une différence de fréquences instantanées constante entre les deux impulsions
td
durée
f (Hz)
t2 t1
impulsion 2 impulsion 1
4
32
1
f (Hz)
4321
13
2
p
dC
t
t
![Page 14: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/14.jpg)
Caractérisation de la vitesse de déplacement par effet Doppler
• Pour caractériser la vitesse de déplacement du réseau de plasma, on utilise une sonde qui sera diffractée par le réseau
• Une sonde à 400 nm superposée à l’un des faisceaux pompes sera diffractée par condition de Bragg dans la direction de l’autre faisceau pompe
• En mesurant le décalage spectral de la sonde à 400 nm, on peut mesurer la vitesse du réseau de plasma
02/sin fcvf grating j
14
![Page 15: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/15.jpg)
Schéma expérimental
• Système laser Thalès Alpha 100 : 10 mJ – 40 fs
• Lentilles de focale : f = 1 m
• 1 mJ utilisé pour former chaque filament
• Détection à l’aide d’un spectromètre UV-VIS
• Réseau de plasma généré dans l’Argon
15
![Page 16: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/16.jpg)
Sans différence de fréquence : Pas de déplacement
390 400 4100.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 t d = - 66 fs
t d = 0 fs
t d = 66 fs
Sp
ectr
e n
orm
alis
é
longueur d'onde (nm)
• Aucun chirp n’est imprimé aux impulsions => = 0
• La figure d’interférence ne se déplace pas
• Aucun effet Doppler n’est observé sur la sonde
-100 -50 0 50 100
398
400
402
404
406
Ce
ntr
e d
e g
ravité
du
sp
ectr
e (
nm
)
td (fs)
16
![Page 17: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/17.jpg)
Différence de fréquence : déplacement du réseau
-100 -50 0 50 100
398
400
402
404
406
408
Ce
ntr
e d
e g
ravité
du
sp
ectr
e (
nm
)
td(fs)
390 400 4100.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 t
d = -100 fs
t d = 0 fs
t d = 100 fs
Sp
ectr
e n
orm
alis
é
longueur d'onde(nm)
• On applique un chirp négatif sur les deux impulsions qui ont alors une durée de 92 fs.
• La figure d’interférence se déplace en raison de la différence de fréquence entre les deux impulsions.
• Comme sa source, le réseau de plasma se déplace dans une direction ou l’autre en fonction du retard entre les deux impulsions
17
![Page 18: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/18.jpg)
Vitesse de déplacement du réseau de plasma
-100 -50 0 50 100
398
400
402
404
406
408
Ce
ntr
e d
e g
ravité
du
sp
ectr
e (
nm
)
td (fs)
Calcul
esure
• vgrating peut être exprimée en fonction des paramètres de la figure d’interférence :
• On mesure alors
vgrating = -2,3 x 107 m.s-1 pour td = - 100 fs
Très rapide
)2sin(2 jl
l
cvgrating
2
00 pd fC ttll
18
![Page 19: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/19.jpg)
Caractérisation spatiale Caractérisation temporelle
• Le comportement dynamique de ce réseau de plasma a été déterminé
• Nous allons maintenant déterminer l’évolution temporelle de ce réseau
19
![Page 20: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/20.jpg)
Plan de la présentation
• Interaction de deux filaments et réseau de plasma
– Caractérisation spatiale • Interfrange
• Vitesse de déplacement des franges
– Durée de vie du réseau de plasma
– Applications • Echange d’énergie
• Augmentation de la troisième harmonique générée
• Propagation longue distance d’un faisceau TW
– Caractérisation jusqu’à 1,5 km
– Continuum généré à distance dans des solides
20
![Page 21: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/21.jpg)
Etude du réseau de plasma diffraction d’une sonde à 400 nm
Dans le Ne, Ar, Kr et l’air, O2, N2, CO2
Angles φ = 7°, 14° et 90°
Evolution temporelle du réseau de plasma
φ
1 mJ
1 mJ
21
![Page 22: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/22.jpg)
• La décroissance de l’efficacité du réseau de plasma est liée à deux mécanismes : – La recombinaison des électrons sur les ions parents
– La diffusion électronique
• – n indice de réfraction
– rdensité électronique du plasma
– Ddiff coefficient de diffusion
– b coefficient de recombinaison
Modélisation approchée de l’évolution temporelle du plasma
rn ),(),(),( 2
2
2
ztnz
ztnD
t
ztndiff b
22
![Page 23: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/23.jpg)
-10 0 10 20 30 40 500.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-50 0 50 100 150 200 250 3000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
7° simu.
14° simu.
90° simu.
7° exp.
14°exp.
90°exp.
O2
retardt (ps)
Sig
nal norm
alis
é (
u. a.)
Sig
nal norm
alis
é (
u. a.)
Argon
retardt (ps)
Ddiff
φ= 6.9° φ = 10°
Comparaison modèle/expérience (1)
Diffusion électronique Ddiff Recombinaison électron-ion : b
23
Plus l’angle est grand : interfrange plus petit gradient plus important diffusion plus rapide
![Page 24: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/24.jpg)
Cas des gaz atomiques
24
-50 0 50 100 150 200 250 300
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Sig
na
l n
orm
alis
é (
u.a
.)
retard (ps)
90° exp.
14° exp.
7° exp.
90° simu.
14°simu.
7° simu.
Argon
-50 0 50 100 150 200 250 300
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Sig
na
l n
orm
alis
é (
u.a
.)
retard (ps)
Krypton
-50 0 50 100 150 200 250 300
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Sig
na
l n
orm
alis
é (
u.a
.)
retard (ps)
Néon
=> Accord entre résultats expérimentaux et résultats simulés provenant du modèle simple
![Page 25: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Cas des gaz moléculaires
-10 0 10 20 30 40 50
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Sig
na
l n
orm
alis
é (
u.a
.)
retard (ps)
7° simu.
14° simu.
90° simu.
7° exp.
14°exp.
90°exp.
Air
-10 0 10 20 30 40 50
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
N2
S
ign
al n
orm
alis
é (
u.a
.)
retard (ps)
-10 0 10 20 30 40 50
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
O2
retard (ps)
Sig
na
l n
orm
alis
é (
u.a
.)
0 5 10 15 20 25
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Sig
na
l re
tard
é (
u.a
.)
retard (ps)
CO2
![Page 26: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/26.jpg)
Evolution temporelle du réseau de plasma
• L’évolution temporelle du réseau de plasma a été étudiée dans différents gaz atomiques et moléculaires
• Cette évolution est dominée par la diffusion électronique dans les gaz atomiques et par la recombinaison électronique dans les gaz moléculaires
• Applications de ce réseau de plasma – Echange d’énergie
– Emission efficace de troisième harmonique par filamentation laser
26
![Page 27: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/27.jpg)
Plan de la présentation
• Interaction de deux filaments et réseau de plasma
– Caractérisation spatiale • Interfrange
• Vitesse de déplacement des franges
– Durée de vie du réseau de plasma
– Applications • Echange d’énergie
• Augmentation de la troisième harmonique générée
• Propagation longue distance d’un faisceau TW
– Caractérisation jusqu’à 1,5 km
– Continuum généré à distance dans des solides
27
![Page 28: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/28.jpg)
Généralités sur l’échange d’énergie
• D’après la théorie standard du couplage de deux ondes un échange d’énergie peut se produire : – si l’indice non-linéaire du milieu possède une partie retardée
– si les impulsions interagissant possèdent une différence de fréquence
• La direction dans laquelle l’énergie va être transférée dépend – du signe de la différence de fréquence
– du signe de n2 (un indice de réfraction positif va induire un transfert d’énergie laser de l’impulsion de haute fréquence vers l’impulsion basse fréquence)
28
![Page 29: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Deux mécanismes dans le cas de l’air
0.42
0.45
0.48
0.51
P1
P2
En
erg
ie lase
r (m
J) -150150 75 -75
Différence de fréquence (THz)0 Sans filament :
• P = 0,4 Pcr
• Réseau d’indice par effet Raman
• Bernstein et al.
(PRL, 102, 123902 (2009))
• L’impulsion avec la fréquence la plus basse gagnera de l’énergie
-1500 -750 0 750 1500
3.6
4.0
4.4
P1
P2
En
erg
ie lase
r (m
J)
retard td (fs)
Avec filament : • P = 1,8 Pcr
• L’impulsion avec la fréquence la plus haute gagnera de l’énergie
Nouveau mécanisme
![Page 30: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Echange d’énergie dans l’Argon
0.39
0.42
0.45
0.48-60
P1
P2
En
erg
ie lase
r (m
J)
60 30 -30
Différence de fréquence (THz)
0
Sans filament : • P = 0,4 Pcr
• Pas d’effet Raman
• Pas d’échange d’énergie
Avec filament : • P = 1,8 Pcr
• Formation d’un plasma
• Echange d’énergie
-600 -300 0 300 600
1.65
1.80
1.95
P1
P2
En
erg
ie lase
r (m
J)
retard td (fs)
![Page 31: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/31.jpg)
31
S : Efficacité de l’échange d’énergie
-1000 -500 0 500 1000
1.0
1.5
2.0
2.5
En
erg
ie d
e l'im
pu
lsio
n (
mJ)
retard td (fs)
P1
P2
j = 20°E2
E1
On définit S telle que :
L’échange d’énergie peut atteindre 50 % d’efficacité
![Page 32: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/32.jpg)
32
S en fonction de l’énergie laser dans l’air
S est minimale lorsque le plasma apparait
-15
-10
-5
0
5
10
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
0
10
20
30
- S
(%
)
Am
plit
ud
e T
Hz (
u .
a.)
E : Energie laser (mJ)
![Page 33: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/33.jpg)
33
S en fonction de l’angle j entre les deux pompes
Lorsque l’anglej diminue L augmente l’efficacité S augmente
50 100 150 200 250 300 35010
20
30
40
S (
%)
L Longueur d'interaction (mm)
15o
30o
45o
65o
90o
L
![Page 34: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/34.jpg)
Conclusion
34
• Mise en évidence d’un nouveau mécanisme pour l’échange d’énergie entre deux faisceaux laser
– basé sur un réseau de plasma
• Devrait être efficace pour tous les milieux permettant la filamentation laser
• Plasma S jusqu’à 50% (Bernstein et al., S à 7%)
Y. Liu, M. Durand et al., PRL 105, 055003 (2010)
![Page 35: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/35.jpg)
Plan de la présentation
• Interaction de deux filaments et réseau de plasma
– Caractérisation spatiale • Interfrange
• Vitesse de déplacement des franges
– Durée de vie du réseau de plasma
– Applications • Echange d’énergie
• Augmentation de la troisième harmonique générée
• Propagation longue distance d’un faisceau TW
– Caractérisation jusqu’à 1,5 km
– Continuum généré à distance dans des solides
35
![Page 36: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/36.jpg)
Troisième harmonique générée par filamentation laser
• La filamentation laser permet l’émission efficace de troisième harmonique (266 nm) dans l’air
– Proposé par N. Aközbek et al., PRL 89, 143901 (2002)
• Récemment, deux groupes ont signalé une amplification de la génération de troisième harmonique de deux ordres de grandeur en utilisant une seconde impulsion infrarouge intense interceptant le filament
– S. Suntsov et al., Opt. Express 17, 3190 (2009)
– X. Yang et al., Appl. Phys. Lett. 95, 111103 (2009)
36
![Page 37: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/37.jpg)
Augmentation de la troisième harmonique générée par filamentation laser
37
Faisceau IR intercepteur
240 260 280 3000
50000
100000
150000
200000
am
plit
ud
e 3
(a
.u.)
longueur d'onde (nm)
filament seul
filament + faisceau IR
![Page 38: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/38.jpg)
Résultats antérieurs
• Yang et al. observent une augmentation de la troisième harmonique uniquement pendant le chevauchement des deux impulsions et lorsque les polarisations des deux faisceaux laser sont parallèles
• Suntsov et al. observent une augmentation qui dure au-delà de 50 ps et cela indépendamment de la polarisation des faisceaux
Ces observations expérimentales ont conduit à des interprétations différentes :
1) la troisième harmonique est générée par le plasma formé à l’intersection des deux impulsions
2) l’augmentation de troisième harmonique est due à une augmentation de la longueur du filament
38
![Page 39: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/39.jpg)
Série de mesures en fonction de 3 paramètres
Afin de mieux comprendre ces différents résultats, on effectue une série de mesures en fonction de trois paramètres :
• Polarisation des deux faisceaux
• Retard entre les deux impulsions
• Energie du faisceau intercepteur
=> Ceci va nous conduire à une nouvelle interprétation de ce phénomène d’augmentation
39
![Page 40: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/40.jpg)
40
Sans faisceau intercepteur
100 µJ
210 µJ
380 µJ
Photographie du filament et du faisceau intercepteur
Champ lointain
Influence de l’énergie du faisceau intercepteur (1)
![Page 41: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/41.jpg)
Influence de l’énergie du faisceau intercepteur (2)
41
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
A
mplit
ude
3
(u.a
.)
retard td (ps)
polarisation parallèle
polarisation orthogonale
E = 120 µJ
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50
1000
2000
3000
4000
5000
E = 240 µJ
A
mplit
ude
3
(u.a
.)
retard td (ps)
polarisation parallèle
polarisation orthogonale
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000E = 420 µJ
retard td (ps)
Am
plit
ude
3
(u.a
.)
polarisation parallèle
polarisation orthogonale
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50
2000
4000
6000
8000
10000
E = 520 µJ
polarisation parallèle
polarisation orthogonale
retard td (ps)
Am
plit
ude
3
(u.a
.)
![Page 42: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/42.jpg)
• Mise en évidence de deux régimes • Résultats de X. Yang et al. correspondent aux faibles intensités • Résultats of S. Suntsov et al. correspondent aux fortes intensités
0 200 400 600 800 1000
0
3000
6000
9000
12000
15000
am
plit
ude tro
isiè
me h
arm
oniq
ue (
a.u
.)
énergie du faisceau intercepteur (mJ)
polarisation parallèle
polarisation orthogonale
42
Influence de l’énergie du faisceau intercepteur (3)
![Page 43: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/43.jpg)
Interprétation des deux régimes
L’augmentation de la troisième harmonique est due à l’interruption du filament par le faisceau sonde : • Pour des énergies faibles le filament est interrompu car diffracté par un réseau de plasma
– L’interruption du filament est sensible à la polarisation respective de chaque faisceau – Elle ne dure que pendant le chevauchement des impulsions
• Pour des énergies supérieures le filament est interrompu par le plasma du faisceau intercepteur
– Insensible à la polarisation – Dure le temps de la durée de vie du plasma
Filament
Faisceau sonde
Réseau
Filament
Faisceau sonde
43
![Page 44: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/44.jpg)
Pour vérifier cette interprétation, on utilise une autre méthode pour interrompre le filament : le filtrage spatial
44
![Page 45: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/45.jpg)
Filtrage spatial : trou microscopique de la taille du filament
• Une feuille d’Aluminium est insérée au centre du filament de longueur 4 cm
• Le filament creuse progressivement un trou dans la feuille d’Aluminium – A. Le filament est bloqué complètement, pas de troisième harmonique – B. Uniquement le cœur du filament est transmis au travers d’une petite
ouverture, maximum de troisième harmonique – C. Le filament et une partie du réseau d’énergie est transmise au travers d’une
ouverture plus grande. Une augmentation de la troisième harmonique est toujours observée.
0 2 4 6 8 10
0
50
100
150
200
250
300
thir
d h
arm
on
ic s
ign
al (a
.u.)
exposition time (second)
2
4
6 10
1100mm
0 2 4 6 8 10
0
50
100
150
200
250
300
thir
d h
arm
on
ic s
ign
al (a
.u.)
exposition time (second)
2
4
6 10
1100mm100mm
45
Temps d’exposition (s)
Am
plit
ud
e 3
(u
.a.)
![Page 46: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/46.jpg)
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
100
1000
10000
Am
plit
ud
e
tro
isiè
me
ha
rmo
niq
ue
(a
.u.)
distance (cm)
Ep = 320 mJ
Evolution du 3 le long du filament
Dans la première partie du filament la troisième harmonique croît puis décroît dans la deuxième partie du filament
Cause : interférences destructives
46
![Page 47: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/47.jpg)
Interprétation
– Les composantes de troisième harmonique générées à l’avant et à l’arrière du filament interfèrent de façon destructive en raison d’un saut de phase de Gouy
– Lorsque le filament est interrompu (par un autre filament, un trou microscopique…) l’effet d’interférence destructive est annulé
– En conséquence, on observe une augmentation de l’émission de troisième harmonique
– Ces interprétations sont validées par des simulations réalisées par Arnaud Couairon du CPHT
47
![Page 48: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/48.jpg)
Plan de la présentation
• Interaction de deux filaments et réseau de plasma
– Caractérisation spatiale • Interfrange
• Vitesse de déplacement des franges
– Durée de vie du réseau de plasma
– Applications • Echange d’énergie
• Augmentation de la troisième harmonique générée
• Propagation longue distance d’un faisceau TW
– Caractérisation jusqu’à 1,5 km
– Continuum généré à distance dans des solides
48
![Page 49: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/49.jpg)
Filamentation longue distance
• Collaboration internationale : DRDC, ISL, ONERA, LOA
• Etude de la filamentation laser sur longue distance
– Influence des paramètres laser
• Pour chaque distance
– Optimisation de la densité de plasma : émission GHz du plasma
– Caractérisation des filaments par impacts du faisceau sur papier photosensible
– Application de la filamentation à la génération de lumière blanche à distance dans les solides
49
![Page 50: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/50.jpg)
Le système laser canadien
Caractéristiques du T&T
– Energie : 200 mJ
– Durée d’impulsion : 50 fs
– Taux de répétition : 10 Hz
Profil initial du faisceau laser
Intérieur du T&T
50
![Page 51: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/51.jpg)
Dispositif expérimental
Laser
Di = 150 m Di = 300 m
Di = 500 m
Di = 1 km
Di = 1.5 km
51
![Page 52: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/52.jpg)
Principe de l’étude
• Contrôle de la distance de filamentation
– Convergence du faisceau
– Durée d’impulsion initiale : en ajustant le compresseur
• La présence de filaments aux différentes distances est détectée par la mise en évidence de plasma
52
![Page 53: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/53.jpg)
Détection du plasma par émission GHz
• L’utilisation d’un détecteur à 10 GHz permet d’optimiser la densité locale du plasma à chaque distance
• On optimise les paramètres du faisceau laser pour obtenir le maximum de signal
• Pour chaque distance Di, on détermine la focale et la durée d’impulsion qui maximise l’ionisation
Laser
2 1 0 -1 -2 -3
80
100
120
140
Position : 145 m F = 154,39 m
Me
su
re d
éte
cte
ur
10
GH
z (
mV
)
durée d'impulsion (ps)
53
![Page 54: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/54.jpg)
54
Profil du faisceau laser après 1 km de propagation dans l’air
• Impact d’une impulsion laser sur un papier photographique à 1 km (astigmatisme du faisceau)
• Mesure effectuée pour caractériser la présence de plasma à différentes distances pour chaque distance d’optimisation Di
14 cm
G. Méchain et al., Opt. Comm., 247, 171 (2007)
![Page 55: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/55.jpg)
Mesure de la longueur de la zone ionisée
Canal de lumière
Intensité 1010 – 1011 W/cm2
• Pour chaque longueur étudiée on mesure le profil du faisceau à différentes distances par impact sur papier photosensible
• On peut observer deux régimes de propagation distincts : canaux de plasma et canaux de lumière – Canaux de plasma : compétition entre effet Kerr et génération de plasma
– Canaux de lumière : compétition entre effet Kerr et diffraction
Canal de plasma
Intensité 5.1013 W/cm2
55
G. Méchain et al., Appl. Phys. B, 79, 379 (2004)
![Page 56: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/56.jpg)
Longueur de la zone ionisée
• Les canaux de lumière apparaissent après les canaux de plasma en accord avec l‘hypothèse qu’un canal de plasma peut évoluer en canal de lumière
• La longueur de la zone ionisée augmente avec la distance focale
• Le nombre de filaments chute entre 150 m et 300 m
200 400 600 800 1000
Di= 150 m
Di= 300 m
Di= 500 m
Di= 1 km
Canaux de plasma
Canaux de lumière
Dis
tan
ce
Di d
'op
tim
isa
tio
n (
m)
Point de mesure
Impact sur papier photographique (m)
0 500 10000
5
10
15
20
Distance Di d'optimisation (m)
No
mb
re d
e f
ilam
en
ts à
Di
0
100
200
300
400
Lo
ng
ue
ur d
e la
zo
ne
ion
isé
e (m
)
56
![Page 57: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/57.jpg)
Influence du rapport P/Pcr
0 500 10000
20
40
60
80 P/Pcr
Nombre de filaments observés
Distance D (m)
P/P
cr
0
5
10
15
20
No
mb
re d
e fila
me
nts
ob
se
rvé
s
• Le nombre de filaments décroît d’un facteur deux après 200 m.
en accord avec les mesures GHz
• La diminution du nombre de filaments est due à la diminution de P
• La diminution de P est nécessaire pour repousser le collapse du faisceau
• Le nombre de filaments est proportionnel au rapport de la puissance crête du laser sur la puissance critique P/Pcr
• Pcr est la puissance critique
nécessaire pour l’apparition de la filamentation laser
• Dans l’air Pcr = 5 GW
57
![Page 58: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/58.jpg)
58
Spectre du continuum généré dans les solides à distance
Echantillon : Solide transparent
e : épaisseur
Laser
Spectromètres
![Page 59: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/59.jpg)
400 600 800 10000.01
0.1
1
10
100
1000
Am
plit
ud
e (
u.a
.)
longueur d'onde (nm)
Silice e = 6,5 mm
Silice e = 2cm
Saphir e = 2 cm
CaF2 e = 6,5 mm
BK7 e = 6,5 mm
Air
Sortie laser
• Les échantillons plus épais produisent plus de continuum de lumière blanche
• Un continuum est observé de 400 nm à 1 µm
Spectre du continuum généré dans les solides à 500 m
59
![Page 60: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/60.jpg)
Conclusion
• Observation de filaments avec ionisation de l’air jusqu’à 1 km
• Confirmation de l’évolution des canaux de plasma en canaux de lumière
• Génération de continuum à très longue distance
• Performances limitées par :
– L’astigmatisme du faisceau laser
– Les turbulences atmosphériques
60
![Page 61: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/61.jpg)
Conclusion générale et perspectives
• Filamentation longue distance
– Filamentation jusqu’à 1 km
Compensation des turbulences
• Interaction entre deux filaments
– Réseau de plasma
– Echange d’énergie (avec une efficacité jusqu’à 50 %
Utilisation de la vitesse de déplacement du réseau de plasma
• Source de rayonnement secondaire
– THz par bifilamentation
– Troisième harmonique
Généralisation de la technique à d’autres fréquences
• Filamentation dans les solides
– Effet de la dispersion (normale / anormale)
– Longueur de filamentation – Spectre de lumière blanche
– Emission conique
Mesure d’une auto-compression de l’impulsion en dispersion anormale
61
![Page 62: Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0-50 0 50 100 150 200 250 300 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 7° simu. 14° simu](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605a7e7ccdeb7a19ea75abc0/html5/thumbnails/62.jpg)
Merci de votre attention
62