D'amico, Ciro (2007) Femtosecond filamentation in passive and amplifying transparent media, and study of filamentation as source of secondary radiation. PhD thesis Physique, Laboratoire d'Optique Appliquée (ENSTA/LOA-EP-CNRS), EP/X p.186.

Alternative Locations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Damico.pdf

Abstract

The subject of this work is the study of filamentation of femtosecond laser pulses in active and passive transparent media, and the study of the plasma filaments as sources of secondary electromagnetic radiation in the Terahertz and Radiofrequency bands. After a brief overview of filamentation and state of the art in chapters I and II, a new technique (P-scan) is described in chapter III, which provide a useful method to observe and analyze non linear propagation regimes of femtosecond laser pulse in gases. In chapters IV and V the filamentation process in amplifying media in presence of population inversion is described. Evidence of amplification of energy and power in the filament core is obtained, while the multiple filamentation regime is always avoided. It was already known that a plasma filament can radially emit Terahertz radiation. The detailed study of the plasma filament as source of !

terahertz radiation is described in chapters VI, VII and VIII. This study has brought about the discovery of a different generation mechanism of radial terahertz radiation in presence of a static electric field applied along the filament axis, and the discovery of a new kind of Terahertz emission in the absence of applied field, conically emitted in the forward direction with respect to the filament axis. To explain this mechanism, a theoretical model has been developed in collaboration with Prof. Tikhonchuk of Bordeaux 1 University; very good agreement is found between the theoretical model and experimental results. Finally, evidence of dipole-like emission in the radiofrequency range from a laser induced plasma channel is presented in chapter IX.

Table of content

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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