Filamentation femtoseconde dans les milieux transparents passifs et amplificateurs, et étude de la filamentation comme source de radiation secondaire.

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D'amico, Ciro (2007) Filamentation femtoseconde dans les milieux transparents passifs et amplificateurs, et étude de la filamentation comme source de radiation secondaire. Doctorat Physique, Laboratoire d'Optique Appliquée (ENSTA/LOA-EP-CNRS), EP/X p.186.

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Résumé

Ce travail de thèse peut être divisé en deux parties. Dans la première partie on présente une étude de la filamentation d’impulsions laser femtoseconde dans les milieux Kerr transparents passifs et amplificateurs; les résultats principaux de cette partie sont les suivants: mise en place d’une nouvelle technique (P-scan) pour l’étude des différents régimes de propagation non linéaire d’une impulsion femtoseconde dans les gaz (chapitre III), et mise en évidence de la possibilité d’augmenter l’énergie et la puissance transportées par un seul filament, bien au dessus du seuil d’apparition de multi-filaments (chapitres IV et V). Dans la deuxième partie, on étudie le plasma généré par filamentation en tant que source de radiation électromagnétique secondaire, dans les bandes Ter!

ahertz et Radiofréquences. L’étude du filament comme source de radiation Terahertz est décrit dans les chapitres VI, VII et VIII ; elle a amené à la découverte d’un nouveau mécanisme d’émission radiale en présence d’un champ électrique statique longitudinal le long de l’axe du filament. Nous avons aussi découvert un nouveau mécanisme d’émission Terahertz en l’absence de champ appliqué; cette fois la radiation est émise vers l’avant dans un cône fermé autour de l’axe de propagation du filament. Le mécanisme d’émission, modélisé en collaboration avec le Prof. Tikhonchuk de l’Université de Bordeaux 1, s’est révélé être en très bon accord avec les observations expérimentales. Enfin, nous avons mis en évidence la possibilité de transformer un canal de plasma produit par la!

ser en une antenne dipolaire, qui peut émettre des radiof!

réq

uences. Ce sujet est décrit dans le chapitre IX.

Table des Matières

TABLE DES MATIERES.

1. Introduction et état de l’art.______________________________________1

1.1. Physique à la base de la filamentation d’impulsions courtes. _____________________1

1.2. Applications de la filamentation. ____________________________________________3

1.3. Etat de l’art. _____________________________________________________________4

Références. _________________________________________________________________9

2. Bases Théoriques de la filamentation femtoseconde dans les milieux transparents. __________________________________________________17

2.1. Introduction à l’Equation de Schrödinger Non Linéaire. _______________________17

2.1.1. L’Effet Kerr Optique. _________________________________________________19

2.2. Le modèle de base pour l’auto-focalisation du faisceau laser. ____________________21

2.2.1. L’auto-focalisation et la puissance de collapse. ___________________________22

2.3. L’auto-modulation de phase. _______________________________________________23

2.4. L’ionisation du milieu et la formation d’un plasma. ____________________________25

2.4.1. L’ionisation multi-photonique.__________________________________________25

2.4.2. L’ionisation par effet tunnel. ___________________________________________26

2.4.3. La formulation générale de Keldysh. ____________________________________27

2.5. Le terme de courant dans la ESNL. _________________________________________28

2.6. Le modèle complet et la filamentation. _______________________________________29

2.6.1. La filamentation. ____________________________________________________30

2.7. Le code numérique de simulation en bref. ____________________________________34

Références. _________________________________________________________________37

3. Le P-scan : une méthode expérimentale simple pour la caractérisation des différents régimes de propagation d’une impulsion laser focalisée dans les gaz. __________________________________________________________39

3.1. Introduction. ____________________________________________________________39

3.2. La caractérisation de la propagation non linéaire dans les gaz. __________________41

3.2.1. Le schéma expérimental. ______________________________________________42

3.3. L’analyse des données obtenues par le P-scan et leur interprétation. ______________42

3.4. Résultats expérimentaux et comparaison avec les simulations numériques. ________45

3.4.1. Mesures et simulations dans l’air et dans les gaz rares. ______________________45

3.4.2. Analyse en fonction de la durée de l’impulsion. ____________________________49

3.5. Conclusions du chapitre III. _______________________________________________51

Références. _________________________________________________________________52

4. Filamentation femtoseconde dans le Ti :Sa. _________________________55

4.1. Introduction._____________________________________________________________55

4.2. Le cristal de Saphir ( ) dopé avec des ions de Titane ( ). _________________55

4.3. Filamentation dans le Ti :Sa en tant que milieu transparent passif. _______________57

4.3.1. Comparaison avec la simulation numérique dans le cas non pompé. ____________58

4.3.2. La technique Schlieren pour la reconstruction de la propagation d’un filament

dans le Ti :Sa . ______________________________________________________60

4.4. Filamentation dans le Ti :Sa en tant que milieu transparent amplificateur. ________63

4.4.1. Modification du code de simulation en présence d’une inversion de population. ___64

4.4.2. Filamentation en dessous de la puissance critique : expérience et simulation. ____65

4.4.3. Filamentation au-dessus de la puissance critique : augmentation de la fluence et endommagement du cristal. ____________________________________________68

4.5. Conclusions du chapitre IV. ________________________________________________70

Références. _________________________________________________________________71

5. Filamentation femtoseconde dans la Sulphorhodamine 640 diluée dans le Méthanol. _____________________________________________________73

5.1. Introduction._____________________________________________________________73

5.2. Schéma expérimental. _____________________________________________________74

5.2.1. La cellule de Béthune._________________________________________________75

5.3. Filamentation dans la solution de colorant en absence et en présence de pompage : premiers résultats expérimentaux. __________________________________________76

5.3.1. Le ‘clamping’ de l’intensité dans le filament en présence et en absence de pompage.___________________________________________________________77

5.3.2. Mesure du gain d’énergie dans le cœur du filament. _________________________78

5.4. Mesure de l’expansion du diamètre du filament. _______________________________79

5.5. Discussion des résultats et comportement temporel de l’impulsion.________________83

5.6. Conclusions du chapitre V. ________________________________________________86

Références. _________________________________________________________________88

6. Emission radiale de radiation THz par un filament soumis à un champ électrique statique longitudinal. __________________________________91

6.1. Introduction._____________________________________________________________91

6.2. Résultats précédents (état de l’art). __________________________________________92

6.3. Schéma expérimental. _____________________________________________________93

6.4. Le détecteur hétérodyne à 0.1 THz. _________________________________________93

6.5. Caractéristiques de l’émission THz radiale d’un filament non chargé. ____________95

6.5.1. Etude de la polarisation de l’émission THz d’un filament. ____________________96

6.5.2. Etude de la cohérence de l’émission THz d’un filament. ______________________98

6.6. Emission THz radiale d’un filament soumis à un champ électrique longitudinal

intense. ________________________________________________________________100

6.6.1. Etude des propriétés de cohérence et de polarisation en présence du champ électrique. _________________________________________________________102

6.7. Interprétation phénoménologique des résultats._______________________________103

6.8. Conclusions du chapitre VI. _______________________________________________106

Références. ________________________________________________________________107

7. Emission d’un filament de radiation THz vers l’avant._______________111

7.1. Introduction.____________________________________________________________111

7.2. Description du schéma expérimental. _______________________________________112

7.3. Premiers résultats expérimentaux : l’émission vers l’avant et sa polarisation. _____113

7.4. Le modèle Transition-Cherenkov. __________________________________________114

7.4.1. Le diagramme angulaire d’émission. ___________________________________119

7.4.2. Approximation de basses fréquences.____________________________________120

7.4.3. Discussion. ________________________________________________________120

7.5. Focale de la lentille de focalisation et longueur des filaments. ___________________121

7.6. Angle d’émission vers l’avant en fonction de la longueur du filament. ____________122

7.6.1. Radiation THz vers l’avant générée à 20m avec un faisceau térawatt. _________123

7.7. Conclusions du chapitre VII. ______________________________________________124

Références. ________________________________________________________________126



8. Etude de la radiation THz émise vers l’avant, par filamentation dans différents gaz rares.____________________________________________129

8.1. Introduction. ___________________________________________________________129

8.2. Description du schéma expérimental. _______________________________________130

8.3. Emission THz vers l’avant par filamentation dans le Xénon.____________________130

8.3.1. THz vers l’avant et génération de la deuxième harmonique de l’impulsion laser._____________________________________________________________131

8.3.2. Puissance THz émise en fonction de la durée de l’impulsion laser. ____________132

8.4. Estimation du taux de conversion en énergie THz dans différents gaz rares. ______134

8.5. Estimation de l’énergie cinétique des électrons créés par ionisation multi-photonique pendant la filamentation. _________________________________________________135

8.5.1. Energie THz irradiée en fonction de la section transversale de transfert du moment cinétique et de l’énergie cinétique des électrons.___________________________135

8.5.2. Processus d’ionisation au-dessus du seuil et le potentiel pondéromoteur. _______136

8.5.3. Estimation de l’énergie cinétique des électrons. ___________________________138

8.6. Conclusions du chapitre VIII. _____________________________________________140

Références. ________________________________________________________________142

9. Antenne virtuelle de plasma créée par un faisceau laser térawatt focalisé dans l’air. ____________________________________________________143

9.1. Introduction. ___________________________________________________________143

9.2. Schéma expérimental et le laser Teramobile. _________________________________144

9.2.1. La source laser. ____________________________________________________145

9.3. Propriétés d’un faisceau laser térawatt focalisé dans l’air. _____________________145

9.4. Mesure du signal de courant et du signal d’antenne. __________________________146

9.4.1. Proposition d’un mécanisme d’émission et principe de la mesure. _____________147

9.5. Analyse de Fourier du signal de courant et d’antenne : à la recherche de résonances._____________________________________________________________150

9.5.1. La résonance à 300MHz. _____________________________________________151

9.5.2. Explication des résultats par un modèle d’émission d’antenne de type dipolaire. _152

9.5.3. Analyse temporelle et durée de vie du plasma. ____________________________154

9.6. Signal d’antenne en fonction de la durée de l’impulsion chirpée. ________________155

9.7. Conclusions du chapitre IX. _______________________________________________156

Références. ________________________________________________________________158

Conclusions générales et perspectives. _______________________________159

Annexe 1. Les sources laser utilisées pendant les expériences._______________________163

a) La chaine laser Thalès Alpha. ____________________________________________163

b) Le laser de la Salle Bleue en 2005._________________________________________163

c) Le laser de la Salle Rose. ________________________________________________163

d) Le laser de la Salle Verte. _______________________________________________164

e) Le Teramobile. ________________________________________________________164

Annexe 2. Compléments sur le modèle ‘Transition-Cherenkov’._____________________165

a) Calcul du champ électromagnétique émis par une distribution de courant qui

s’étend sur une distance finie._____________________________________________165

b) La dépendance de l’énergie rayonnée du module carré du champ magnétique. _____167

c) Distribution longitudinale de courant induite par la force pondéromotrice de

l’impulsion autoguidée.__________________________________________________168

Annexe 3. Le mécanisme Transition-Cherenkov et l’émission THz radiale. ___________171

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