Nonlinear conical waves in ultrashort pulse filamentation and applications

par Daniele Faccio

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jorge Tredicce.

  • Titre traduit

    Ondes coniques non-linéaires dans la filamentation d'impulsions ultra-courtes et applications


  • Résumé

    This thesis work regards the development of the so-called X wave model for ultra short laser pulse filamentation. Filamentation was first discovered in the early 1960’s and has since attracted much attention due to the great number of nonlinear physical processes involved and to possible applications. The x wave model proposes a view of filamentation that actually is not completely new in the sense that it is a revival of the original idea proposed by Townes et al. Of stationary, soliton-like propagation. It is now well-known that the filament may not be identified with a soliton or truly stationary wave packet as it is an extremely dynamical state continuously evolving, splitting, recombining and broadening in spectrum. The x wave model is based on the assumption that however the overall dynamics are dominated by a spontaneous evolution toward a linear stationary state. The stationary state has been identified with the X wave, a particular conical wave or wave packet in which the energy flows along a conical surface continuously refilling a central intense peak. X waves are stationary I both the linear and nonlinear regime (distinguishing them from solitons) so that the evolution within the filament dynamics may be described as a continuous diffusion of stationary conical wave states. In order to study the details of this process it is necessary to consider the full space-time coupled nature of the filamentation process. For this reason a novel spectral experimental technique that overcomes some limitations of traditional laser pulse characterization methods was developed as described in chapter 3. This spectral characterization, combined combined with an interpretation based on the description of the interacting pulses in terms of X waves leads to a deep understanding of many processes associated to filamentation such as pulse splitting, conical emission, continuum generation and sub or super-luminal (with respect to the reference material group velocity) pulse group velocities. The final part of the thesis work is dedicated to the study of the interaction between filaments and a weaker non-filamenting pulse. Cross-Phase-Modulation dominates the nonlinear interaction between the pulses and induces conical emission on the seed pulse. The conical emission has a group velocity that is matched to that of the filament pump pulse, a discovery that has important implications. Tuning the seed wavelength to the Raman Stokes wavelength and extremely efficient amplification due to the reduction of the group-velocity-mismatch with the pump, is observed with the formation of what we have called Raman X waves. These ideas are then extended from the single filament arrays, confirming the unique understanding provided by the X wave model and the potentially to exploit filament-mediated nonlinear interactions future applications.


  • Abstract

    Ce travail de thèse a pour sujet le développement du modèle appelé modèle d’inde X (X-wave model) pour la filamentation d’impulsions laser ultra-courtes. La filamentation a été découverte pour la première fois au début des années 1960 et a beaucoup attiré l’attention depuis, en raison des nombreux phénomènes physiques non-linéaires impliqués et des applications possibles des filaments. Le modèle d’onde X propose une vision de la filamentation qui, en fait, n’est pas complètement nouvelle, dans le sens que c’est une évolution de l’idée originale de propagation stationnaire et de type solitonique, proposée par Townes et collaborateurs. Maintenant il est bien connu que le filament ne peut pas être identifié avec un soliton ou un paquet d’onde réellement stationnaire, mais plutôt à un état extrêmement dynamique continuellement en évolution, donnant lieu à une cassure temporelle de l’impulsion (splitting), une recombinaison éventuelle des sous impulsions, et à un fort élargissement spectral. Le modèle d’onde X est basé sur l’hypothèse que, malgré tout, la dynamique globale est dominée par l’évolution spontanée de l’impulsion vers un état stationnaire linéaire. Cet état stationnaire a été identifié avec l’onde X, une onde (paquet d’onde) conique particulière dans laquelle un flux d’énergie se propage sur une surface conique, remplissant continuellement un pic central intense. Les ondes X étant stationnaires dans les deux régimes, linéaire et non linéaire respectivement (se distinguant ainsi des solitons), la dynamique du filament peut être décrite comme une diffusion continue d’états d’ondes coniques stationnaires. Pour pouvoir étudier les détails de ce processus, il faut nécessairement considérer la nature complète du couplage en espace et en temps de la filamentation. Pour cette raison, nous avons développé une nouvelle technique de diagnostics spectraux, décrite dans le chapitre 3, qui dépasse certaines limites propres aux méthodes traditionnelles de caractérisation d’impulsions laser. Cette caractérisation spectrale, combinée avec une interprétation basée sur la description en tant qu’ondes X des impulsions qui interagissent dans le système, apporte une compréhension profonde des nombreux processus associés à la filamentation, comme par exemple la séparation temporelle de l’impulsion (pulse splitting), l’émission conique, la génération super continuum, et les vitesses de groupe de l’impulsion inférieures ou supérieures à la vitesse de groupe de référence du milieu. La partie finale de ce travail de thèse est dédiée à l’étude de l’interaction entre filaments et une impulsion plus faible (seed) qui ne filamente pas. L’effet de la modulation de phase croisée (cross-phase-modulation) domine l’interaction entre les impulsions et entraîne l’émission conique de l’impulsion de faible énergie (seed). Cette émission conique a une vitesse de groupe qui est en accord avec celle de l’impulsion de pompe en forme de filament ; cette découverte a des conséquences importantes. En accordant la longueur d’onde du seed sur celle de la composante Stokes de l’effet Raman, on peut observer la formation de ce que nous avons appelé les ondes X Raman, une amplification extrêmement efficace qui a lieu grâce à la réduction du désaccord entre la vitesse de groupe de la pompe et la composante de Raman. Ces idées sont enfin étendues au cas de réseaux de filaments, confirmant la compréhension unique que le modèle d’ondes X nous apporte, et la possibilité d’exploiter les interactions non-linéaires où intervient la filamentation pour de futures applications.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XII-148 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [139]-145. Résumés en français et en anglais

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  • Bibliothèque : Université Nice Sophia Antipolis. Service commun de la documentation. Bibliothèque Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 07NICE4089
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