Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Filamentation d'impulsion laser“

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.

La propagation d'impulsions electromagnetiques est d'importance fondamentale en science pure et appliquee, et le developpement recent des sources d'impulsions laser ultracourtes intenses a ajoute beaucoup de visions interessantes a ce probleme. Les larges bandes spectrales, les puissances tres elevees, et la nature (3+1)-dimensionnelle de ces champs (3 dimensions spatiales plus le temps) provoquent des effets lineaires et non-lineaires complexes qui ont pose des defis significatifs aux chercheurs. Ces dernieres annees un effort important a ete consacre a l'etude de la propagation des faisceaux laser puissants en atmosphere aussi bien que dans d'autres materiaux transparents, comme par exemple des verres. Un interet particulier s'est concentre sur des systemes laser femtoseconde (fs), capables de fournir des puissances tres elevees avec peu d'energie. En raison de la puissance elevee, la reponse nonlineaire du milieu joue un role preponderant dans la propagation. Une propagation spectaculaire et tres peu commune de lumiere a ete observe recemment. Quand des impulsions laser ultracourtes et intenses sont lancees dans l'air il s'auto-organisent en filaments, qui se propagent sur des distances tres longues. Cette these presente une etude systematique de la filamentation femtoseconde. Commencant par le developpement des diagnostics experimentaux pour mettre en evidence l'existence des canaux ionises a la trainee des filaments (chapitre 1). Suivi par des etudes experimentales et numeriques detaillees de la filamentation a differentes longueurs d'onde et pour differents materiaux non-lineaires (chapitres 2, 3, 5). Terminant par des applications des filaments sur le declenchement et le guidage des decharges electriques (chapitre 4), ainsi que le sondage de l'atmosphere en utilisant le continuum blanc des filaments (chapitre 6).

Cette thèse traite de l'étude numérique des propriétés et des applications des impulsions spatio-temporellement couplées, paquets d'ondes coniques et filaments laser, dans les processus fortement non-linéaires, comme la génération d'harmoniques d'ordre élevé. Nous étudions la redistribution de l'énergie au sein de ces paquets d'ondes en propagation linéaire et non-linéaire. Le flux d'énergie constitue un diagnostic des couplages spatio-temporels que nous avons appliqué à des résultats expérimentaux réels. Nous analysons l'évolution spectrale des filaments dans un gaz et nous obtenons les conditions pour la génération d'impulsions de quelques cycles dans le spectre UV. Nous étudions la génération d'harmoniques d'ordre élevé par des ondes coniques ultra-courtes. En particulier, nous montrons comment leurs propriétés de propagation influencent le champ généré dans la région X-UV. Nous étudions aussi l'interférence des différents chemins quantiques correspondant aux trajectoires électroniques. Enfin, nous obtenons la forme des faisceaux d'Airy stationnaires dans le régime non-linéaire. Pour chaque sujet, nous présentons des résultats expérimentaux qui ont motivé nos travaux ou ont été motivés par nos simulations.

Cette thèse traite de l'étude numérique des propriétés et des applications des impulsions spatio-temporellement couplées, paquets d'ondes coniques et filaments laser, dans les processus fortement non-linéaires, comme la génération d'harmoniques d'ordre élevé. Nous étudions la redistribution de l'énergie au sein de ces paquets d'ondes en propagation linéaire et non-linéaire. Le flux d'énergie constitue un diagnostic des couplages spatio-temporels que nous avons appliqué à des résultats expérimentaux réels. Nous analysons l'évolution spectrale des filaments dans un gaz et nous obtenons les conditions pour la génération d'impulsions de quelques cycles dans le spectre UV. Nous étudions la génération d'harmoniques d'ordre élevé par des ondes coniques ultra-courtes. En particulier, nous montrons comment leurs propriétés de propagation influencent le champ généré dans la région X-UV. Nous étudions aussi l'interférence des différents chemins quantiques correspondant aux trajectoires électroniques. Enfin, nous obtenons la forme des faisceaux d'Airy stationnaires dans le régime non-linéaire. Pour chaque sujet, nous présentons des résultats expérimentaux qui ont motivé nos travaux ou ont été motivés par nos simulations
This thesis deals with numerical studies of the properties and applications of spatio-temporally coupled pulses, conical wavepackets and laser filaments, in strongly nonlinear processes, such as harmonic generation and pulse reshaping. We study the energy redistribution inside these wavepackets propagating in gases and condensed media, in the linear and nonlinear regime. The energy flux constitutes a diagnostic for space-time couplings that we applied to actual experimental results. We analyze the spectral evolution of filaments in gases and derive the conditions for the generation of ultrashort pulses in the UV range. We study high harmonic generation in a gas from ultrashort conical wavepackets. In particular, we show how their propagation properties influence the harmonic output. We also study the interference of different electron trajectories. Finally, we derive the shape of stationary Airy beams in the nonlinear regime. For each topic, we present experimental results that motivated our works or were motivated by our simulations

Le développement des chaines laser femtoseconde amplifiées a permis de mettre à la disposition des chercheurs des impulsions dont la puissance crête excède quelques Gigawatts. Dans ce régime de puissance, la propagation du faisceau laser est fortement non-linéaire. L'effet Kerr auto-focalise le faisceau qui s'effondre sur lui-même jusqu'à ce que l'intensité soit suffisante pour générer un plasma à effet défocalisant. La compétition dynamique entre l'effet Kerr, l'ionisation et la diffraction permet de conserver une intensité élevée dans le cœur du faisceau sur une grande distance. Dans ce processus, dit de filamentation, l'impulsion lumineuse laisse dans son sillage une mince colonne de plasma faiblement ionisé. Le phénomène de filamentation peut affecter fortement l'impulsion laser et le milieu dans lequel elle se propage. Par le biais de multiples collaborations, je me suis attachée au cours de cette thèse à étudier expérimentalement plusieurs effets liés à la propagation non-linéaire dans les gaz et dans les liquides. Ainsi j'ai réalisé une cartographie des déformations spatio-temporelles de l'impulsion au cours de sa propagation dans l'eau et mis en évidence leurs signatures dans le domaine spatial, spectral, et énergétique. J'ai ensuite caractérisé le dépôt d'énergie dans l'eau liquide et l'onde de choc induite par la relaxation du plasma dans différents régimes de puissance et de focalisation, dans le but d'analyser la génération d'ondes acoustiques par des impulsions laser femtoseconde. Par ailleurs, j'ai étudié le plasma formé à l'intersection de deux filaments dans différents gaz moléculaires et atomiques. J'ai mis en évidence que ses propriétés spatiales et transitoires permettent un filtrage spatio-temporel d'une impulsion incidente, ce qui pourrait constituer une nouvelle alternative aux techniques de filtrage d'impulsions femtoseconde. Enfin, j'ai caractérisé la compression d'impulsions énergétiques dans un guide plan creux et démontré que les impulsions comprimées temporellement pouvaient être utilisées pour la génération d'harmoniques d'ordres élevés, et plus généralement pour la physique de haute intensité
With the development of ultrashort lasers, pulses with peak power in the gigawatt level are easily obtained. In this intensity range, the propagation is no longer linear. Due to the Kerr effect, the beam self-focuses and tends to collapse until the intensity is high enough to ionize the medium, an effect that defocuses the beam. A dynamic competition takes place between Kerr effect, ionization and diffraction, resulting in a spectacular reshaping of the beam in an intense core propagating over many Rayleigh lengths. During this phenomenon, called laser filamentation, a thin and weakly ionized plasma channel is left in the trail of the pulse. This propagation mode strongly affects the pulse and the medium where it happens. Through several collaborations, I focus this work on experimental studies of the impact of the filamentary propagation in gases and liquids. I thus mapped the spatio-temporal distortions of the pulse during its propagation in water and identified their signatures in the spatial, spectral and energetic domain. I then characterized the energy losses in water and the shock wave generated by the plasma relaxation in different power ranges and focalisation geometries, for the generation of acoustic waves by femtosecond laser pulses. On the other hand, I studied the plasma generated at the intersection of two crossing filaments in molecular and atomic gases. I demonstrated that its spatial properties and transient behaviour can spatially and temporally filter a laser pulse, and could potentially offer a new alternative to generate femtosecond laser pulses with a high contrast and good quality beam profile. Finally I characterized the compression of high energy femtosecond pulses with a planar hollow waveguide and demonstrated that the time compressed pulses can be used to generate high order harmonics, and in general for high field physics

Nous présentons différents aspects de la propagation d'impulsions laser ultra-courtes
dans les milieux transparents. Tout d'abord, après avoir établi les équations de propagation
à partir des équations de Maxwell, nous rappelons les principaux phénomènes physiques auxquels
sont soumises les impulsions ultra-courtes et de forte puissance se propageant dans un milieu transparent.
Celles-ci subissent de l'auto-focalisation causée par la réponse Kerr du milieu. Cette auto-focalisation
est stoppée par la création d'un plasma produit par l'ionisation photonique des molécules du milieu.
La propagation de l'onde laser génère aussi un supercontinuum par auto-modulation de phase. Enfin,
on rappelle les principaux résultats concernant la filamentation simple ou multiple de l'onde provenant
des inhomogénéités du faisceau et qui a lieu lorsque la puissance initiale du laser est supérieure
au seuil d'auto-focalisation. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'influence de
non-linéarités optiques d'ordre élevé sur la propagation de l'onde et sur la figure de
filamentation créée. Dans une troisième partie, afin de contrôler la filamentation multiple,
nous analysons la propagation de faisceaux particuliers: les impulsions optiques femtosecondes avec gradient
fort et les vortex. Nous justifions les propriétés de robustesse de ces derniers type d'objets
optiques. Enfin, nous examinons la filamentation multiple d'impulsions ultra-courtes à travers une
chambre à brouillard, et dans les cellules d'éthanol dopées à la coumarine, pour différentes
configurations du faisceau.

Lorsqu'elles se propagent dans l'air les impulsions laser ultrabrèves (fs) et de forte puissance forment des filaments ionisés sur de longues distances, où est produit un continuum de lumière blanche qui s'étend de l'ultraviolet (230 nm) à l'infrarouge (4,5 µm). Ce processus fortement non-linéaire résulte d'un équilibre dynamique entre deux effets dus au profil spatial du faisceau : la focalisation par effet Kerr, et la défocalisation par le plasma issu de l'ionisation multiphotonique de l'air. Mon travail de ces dernières années, présenté ici, est consacré à l'étude de cette propagation non-linéaire, et à ses applications pour la physique de l'atmosphère.
Une première catégorie d'applications, comme le Lidar à lumière blanche, repose sur l'exploitation du continuum de lumière blanche, par exemple pour réaliser une télédétection multi-composants dans l'air. Une seconde famille repose sur la capacité des filaments de délivrer à grande distance des intensités suffisantes pour induire in situ des effets non-linéaires à distance. Nous avons utilisé cette propriété pour identifier à distance des simulants d'aérosols biologiques ou des cibles solides. Enfin, l'ionisation de l'air dans le filament nous a permis de contrôler des décharges électriques de haute tension, ouvrant la voie vers un paratonnerre laser.