Propagation non-linéaire des impulsions laser femtosecondes dans la silice

par Lionel Sudrie

Thèse de doctorat en Physique. Optique et photonique

Sous la direction de André Mysyrowicz.

Soutenue en 2002

à Paris 11, Orsay .


  • Résumé

    L'objet de cette thèse est l'étude de la propagation des impulsions laser femtosecondes dans les solides transparents. La courte durée de ces impulsions (quelques 10-̂15 à quelques 10-̂13 s) fournit de hautes intensités lumineuses pour des énergies modestes. Lorsqu'elles traversent un milieu transparent, ces fortes intensités laser induisent des non-linéarités importantes qui affectent la propagation de l'impulsion. Ces non-linéarités peuvent conduire à une propagation auto-guidée des impulsions laser avec de hautes intensités sur de longues distances. Cette propagation est appelée filamentation laser. En focalisant des impulsions de 2 mJ, 160 fs et de longueur d'onde centrale 800 nm, j'ai formé une filamentation laser dans un échantillon de silice de 2 cm. L'étude expérimentale de cette propagation non-linéaire est la première caractérisation précise et complète d'un filament dans un milieu solide transparent. La comparaison des résultats expérimentaux à ceux d'un code numérique a permis de montrer que la filamentation laser peut avoir lieu dans les milieux solides de la même manière que dans les gaz. L'équilibre entre l'autofocalisation par effet Kerr et la défocalisation par le plasma est l'origine de la filamentation. La défocalisation limite l'intensité laser et évite l'endommagement de l'échantillon. Cette étroite relation entre propagation et endommagement m'a amené à considérer la propagation d'impulsions plus fortement focalisées à l'intérieur de la silice. Ce type de propagation conduit à des densités électroniques élevées qui induisent des dommages irréversibles. Le parallèle entre les résultats numériques et expérimentaux permet de préciser les conditions d'apparition des dommages tout en donnant des quantités physiques inaccessibles expérimentalement. J'ai aussi observé dans la silice un nouveau type de modifications avec une forte biréfringence. Comme application j'ai fabriqué des éléments optiques comme des guides d'onde et des réseaux de diffraction.


  • Résumé

    The subject of this thesis is the study of the propagation of femtosecond laser pulses in transparent solids. The short duration of these pulses (a few 10^-15 to a few 10^-13 s) supplies high light intensities with modest energies. When they traverse a transparent medium, theses strong laser intensities induce important nonlinearities which affect the pulse propagation. These nonlinearities can lead to a self-guided propagation with high intensities on long distances. This propagation is called laser filamentation. By focusing pulse of 2 mJ, 160 fs and with 800 nm as central wavelength, I have induced a laser filamentation in a 2 cm thick fused silica sample. The experimental study of this nonlinear propagation is the first precise and complete characterization of a filament in a transparent solid medium. Comparison between experimental and numerical results given by numerical code permits to show that laser filamentation can take place in solid, media in the same way as in gases. Equilibrium between self-focusing due to Kerr effect and defocusing by the plasma is the origin of filamentation. Defocusing limits the laser intensity and avoids sample damaging. This close relation between propagation and damaging led me to consider more strongly focused pulses propagation inside fused silica. This type of propagation leads to high electronic densities that induce irreversible damages. Comparison between numerical and experimental results permits to precise the conditions for damages appearance while giving experimentally inaccessible physical quantities. I have also observed in fused silica a new type of modifications with a strong birefringence. As an application I have made optical elements like waveguides and diffraction gratings.

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Informations

  • Détails : 238 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.223-228.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2002)75
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