Femtosecond laser filamentation in air and application to guiding of electric discharges and Terahertz generation
Filamentation Laser Femtoseconde dans l'Air et Application au Guidage de Decharges Electriques et à la Generation de Rayonnement Terahertz
Résumé
Laser filamentation phenomena spontaneously occurs during the propagation of an infrared femtosecond laser beam in air, when the beam peek power exceeds a few Gigawatts. At such intensity level the beam collapses on itself due to the Kerr effect and a dynamic competition between diffraction, Kerr effect and plasma defocusing allows to maintain a very high intensity in the core of the beam over a considerable distance. It produces then a thin plasma column, whose length can reach hundreds of meters. Several applications relying on the remote generation of laser filaments have been proposed. In this case beam propagation and filament formation can be significantly affected by the atmospheric turbulence. To quantify the effects of turbulence on filamentation we performed experimental and numeric studies of the influence of air turbulence on the pointing stability of filaments and the filamentation distance. Moreover, we studied the properties of the plasma column in the filament and more especially its ability to initiate powerful electric arcs with minimal losses, which could be useful for contactless feeding of high speed trains. Finally, a complete study of the possibility to use femtosecond filaments as Terahertz radiation source has been made. Several mechanisms of THz generation have been observed. Their spectral properties and their energy allow to consider the development of applications such as remote THz spectroscopy or to reach the regime of nonlinear THz optics.
Le phénomène de filamentation laser apparaît spontanément dans un faisceau laser infra-rouge se propageant dans l'air si sa puissance crête excède quelques Gigawatts. À ce régime d'intensité le faisceau s'effondre sur lui même par effet Kerr et un équilibre dynamique s'installe entre la diffraction, l'effet Kerr et la défocalisation par l'air ionisé, permettant de maintenir une intensité très élevée dans le coeur du faisceau sur une très grande distance. Il donne alors naissance à une mince colonne de plasma dont la longueur peut atteindre des centaines de mètres. De nombreuses applications reposant sur l'utilisation de filaments laser générés à grande distance ont été proposées. Dans ce cas la propagation du faisceau peut être notablement affectée par les turbulences atmosphériques. Pour quantifier les effets de la turbulence sur la filamentation nous avons fait une étude expérimentale et numérique de l'influence de la turbulence de l'air sur la stabilité de pointé du faisceau filamenté et sur la distance de filamentation. Par ailleurs nous avons étudié les propriétés de la colonne de plasma dans le filament et plus particulièrement sa capacité à initier de puissants arcs électriques avec un minimum de pertes, dans l'optique d'applications telles que le captage de forts courants pour l'alimentation de trains rapides. Enfin, une étude complète de l'utilisation de filaments laser comme source de rayonnement Térahertz a été faite. Plusieurs mécanismes de génération de THz ont été mis à jour. Leurs propriétés spectrales et leur énergie permettent d'envisager le développement d'applications de spectroscopie à distance ou pour certains mécanismes, d'atteindre des régimes de physique non-linéaire dans le domaine THz.
Domaines
Physique [physics]
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