Filamentation laser femtoseconde IR : Interaction de deux ... · -10 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4...

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

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

Strickland et al., 1985

Braun et al., 1995

Nibbering et al., 1996

Principe de la filamentation Laser

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

Filamentation : Ordres de grandeurs

• Solide transparent • n2 = 3.10-16 cm2/W

• Pcr = 2 MW

• Diamètre du filament : 10 µm

• Intensité : ~ 1013 W.cm-2

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

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

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

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

100 THz par bifilamentation

THz par filamentation

retard (ps)

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

l0 = 800 nm l0 = 3,4 µm l0 = 1,9 µm

Dispersion normale Dispersion anormale

l0 = 800 nm

l0 = 1,9 µm

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

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

10 µm

Influence d’une différence de fréquence

• 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 :

Déplacement du réseau de plasma nécessaire à l’échange d’énergie

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

durée

f (Hz)

impulsion 2 impulsion 1

f (Hz)

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

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

Sans différence de fréquence : Pas de déplacement

390 400 4100.0

1.0 t d = - 66 fs

t d = 0 fs

t d = 66 fs

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

ravité

td (fs)

Différence de fréquence : déplacement du réseau

-100 -50 0 50 100

ravité

td(fs)

390 400 4100.0

d = -100 fs

t d = 0 fs

t d = 100 fs

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

Vitesse de déplacement du réseau de plasma

-100 -50 0 50 100

ravité

td (fs)

Calcul

• 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

cvgrating

00 pd fC ttll

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

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

• 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

ztndiff b

-10 0 10 20 30 40 500.0

-50 0 50 100 150 200 250 3000.0

7° simu.

14° simu.

90° simu.

7° exp.

14°exp.

90°exp.

retardt (ps)

nal norm

u. a.)

nal norm

u. a.)

retardt (ps)

φ= 6.9° φ = 10°

Comparaison modèle/expérience (1)

Diffusion électronique Ddiff Recombinaison électron-ion : b

Plus l’angle est grand : interfrange plus petit gradient plus important diffusion plus rapide

Cas des gaz atomiques

-50 0 50 100 150 200 250 300

retard (ps)

90° exp.

14° exp.

7° exp.

90° simu.

14°simu.

7° simu.

-50 0 50 100 150 200 250 300

retard (ps)

Krypton

-50 0 50 100 150 200 250 300

retard (ps)

=> Accord entre résultats expérimentaux et résultats simulés provenant du modèle simple

Cas des gaz moléculaires

-10 0 10 20 30 40 50

retard (ps)

7° simu.

14° simu.

90° simu.

7° exp.

14°exp.

90°exp.

-10 0 10 20 30 40 50

retard (ps)

-10 0 10 20 30 40 50

retard (ps)

0 5 10 15 20 25

retard (ps)

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

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)

Deux mécanismes dans le cas de l’air

ie lase

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

ie lase

retard td (fs)

Avec filament : • P = 1,8 Pcr

• L’impulsion avec la fréquence la plus haute gagnera de l’énergie

Nouveau mécanisme

Echange d’énergie dans l’Argon

0.48-60

ie lase

60 30 -30

Différence de fréquence (THz)

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

ie lase

retard td (fs)

S : Efficacité de l’échange d’énergie

-1000 -500 0 500 1000

e l'im

retard td (fs)

j = 20°E2

On définit S telle que :

L’échange d’énergie peut atteindre 50 % d’efficacité

S en fonction de l’énergie laser dans l’air

S est minimale lorsque le plasma apparait

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

E : Energie laser (mJ)

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

L Longueur d'interaction (mm)

Conclusion

• 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)

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)

Augmentation de la troisième harmonique générée par filamentation laser

Faisceau IR intercepteur

240 260 280 3000

100000

150000

200000

filament seul

filament + faisceau IR

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

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

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)

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

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

E = 240 µJ

retard td (ps)

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50

8000E = 420 µJ

retard td (ps)

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50

E = 520 µJ

retard td (ps)

• 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

ude tro

énergie du faisceau intercepteur (mJ)

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

Pour vérifier cette interprétation, on utilise une autre méthode pour interrompre le filament : le filtrage spatial

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

exposition time (second)

1100mm

0 2 4 6 8 10

exposition time (second)

1100mm100mm

Temps d’exposition (s)

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

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

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

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

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

Dispositif expérimental

Di = 150 m Di = 300 m

Di = 500 m

Di = 1 km

Di = 1.5 km

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

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

2 1 0 -1 -2 -3

Position : 145 m F = 154,39 m

durée d'impulsion (ps)

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

G. Méchain et al., Opt. Comm., 247, 171 (2007)

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

G. Méchain et al., Appl. Phys. B, 79, 379 (2004)

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

Point de mesure

Impact sur papier photographique (m)

0 500 10000

Distance Di d'optimisation (m)

Influence du rapport P/Pcr

0 500 10000

80 P/Pcr

Nombre de filaments observés

Distance D (m)

e fila

• 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

Spectre du continuum généré dans les solides à distance

Echantillon : Solide transparent

e : épaisseur

Spectromètres

400 600 800 10000.01

Silice e = 6,5 mm

Silice e = 2cm

Saphir e = 2 cm

CaF2 e = 6,5 mm

BK7 e = 6,5 mm

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

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

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

Merci de votre attention

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Evapco Condensation Efficace 2017 v3a 01-2018et les dérives caniculaires ... Pompe pulvérisation kW 0.0 0.0 7.5 0.0 2.2 Pompe EG kW 0.0 17.6 21.8 0.0 0.0 Total Pondéré * kW 375.0

5-Modèle linéaire généralisé · Logiciel R /Modèle linéaire généralisé / BR5.doc / Page 5 x w 0 5 10 15 20 25 30 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Le modèle qui a fourni la réalisation

I/ DE FORTES DISPARITES DE DEVELOPPEMENT. IDH > 0.8 IDH de 0.7 à 0.8 IDH de 0.6 à 0.7 IDH < 0.6 Limite Nord-Sud II/ UNE INTEGRATION FONDEE SUR DES FLUX