Etude de la filamentation d'impulsions laser femtosecondes dans l'air. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2005

Etude de la filamentation d'impulsions laser femtosecondes dans l'air.

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Abstract

When propagating through the atmosphere intense femtosecond laser pulses organize into intense self-guided light pulses (filament). In turn, such self-guided pulses generate in their wake extended thin plasma column. My PhD thesis work has been dedicated to the study of this non-linear propagation, to its control over long distances propagation and to its applications to atmospheric sciences. Filamentation allows multi-terawatt femtosecond laser pulses to propagate over very long distances, reaching hundred meters. Using appropriate temporal chirps, the onset of the filament as well as its length can be controlled. A maximum ionization distance of 300 m was found. Shorter pulse duration favoured the amount of broadband continuum, while longer negative chirps led to the appearance of bright light channels (I~1012 W m-2) at 2350 m. We also show that it is possible to organize regular filamentation patterns by imposing either strong field gradients or phase distortions into the input beam profile. In order to achieve a control of the filamentation process over long distances through the atmosphere, the properties of filaments have been studied in details as a function of the pressure. The results show that fs filamentation can occur at low pressures (0.2≤p≤1 atm), which corresponds to altitudes up to ~11 km. Moreover, we have demonstrated that triggering and guiding high-voltage discharges thanks to plasma strings generated by femtosecond filamentation is possible over gaps up to 4,50 m, even under rain with an efficiency comparable to that observed in dry air. These results are particularly promising for a laser lightning rod.
Ce travail de thèse a porté sur la propagation non linéaire sous forme de filament des impulsions laser femtosecondes ultra-intenses dans l'atmosphère. Nos résultats issus des expériences en laboratoire et en extérieure apportent de nombreux éléments de réponses dans le domaine. Nous avons démontré expérimentalement qu'il était possible de maîtriser le processus de filamentation et la formation de canaux de plasma sur de longues distances. En effet, en propageant un train de deux impulsions de focales différentes décalées de manière adéquate dans le temps, un canal de plasma unique et continu sur une grande distance peut être généré en connectant plusieurs canaux de plus courte distance. Nous avons aussi mis en évidence que le contrôle de la longueur et de la localisation des filaments pouvait s'effectuer en agissant sur la dérive en fréquence de l'impulsion laser initiale pour des puissances bien supérieures à la puissance critique. On peut ainsi maximiser soit la génération d'un continuum de fréquences, soit la présence de canaux de plasma sur des distances pouvant atteindre plus de 300 m, soit la longueur d'intenses canaux de lumière. Ces canaux de lumière intenses ont été observés jusqu'à 2350 m et leur intensité est de l'ordre de 1012 W cm-2. Enfin, nous avons montré que l'on pouvait organiser de manière déterministe la formation de figures multi-filamentaires en imposant des conditions initiales d'amplitude ou de phase au faisceau. Les structures organisées de filaments sont régulières, stables et reproductibles. Les applications atmosphériques à longue portée impliquent des propagations verticales à de très hautes altitudes. Nous avons donc étudié la filamentation pour différentes pressions de l'air. Ces études expérimentales et théoriques ont permis de démontrer que la filamentation femtoseconde subsistait à des pressions correspondant à des altitudes allant jusqu'à environ 11 km. Nous avons également poursuivi l'étude du déclenchement et du guidage de décharges haute tension à l'aide de filaments. Les expériences menées dans les installations haute tension de l'Université Technique de Berlin et du CEAT à Toulouse ont permis de mettre en évidence les mécanismes de déclenchement et de guidage de décharges haute tension sur des distances pouvant atteindre 4,50 m. Ceci constitue un record pour ce genre de décharges. Nous avons aussi démontré que malgré une pluie abondante, les canaux de plasma générés par filamentation femtoseconde subsistaient et étaient toujours capables de déclencher et de guider des décharges de haute tension. Ces résultats sont donc particulièrement prometteurs pour le déclenchement et le guidage de la foudre à l'échelle atmosphérique.
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Dates and versions

pastel-00001900 , version 1 (28-07-2010)

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  • HAL Id : pastel-00001900 , version 1

Cite

Grégoire Méchain. Etude de la filamentation d'impulsions laser femtosecondes dans l'air.. Optique [physics.optics]. Ecole Polytechnique X, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001900⟩
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