Coherent Secondary Radiation from Femtosecond Laser Filaments

par Sergey Mitryukovskiy

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Yi Liu.

Soutenue en 2014

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Rayonnements Secondaires Cohérents Émis lors de la Filamentation Laser Femtoseconde


  • Résumé

    La filamentation laser est un phénomène optique non-linéaire qui apparaît spontanément au cours de la propagation d’une impulsion laser ultracourte intense dans un milieu transparent, quand sa puissance crête dépasse une valeur critique (quelques Gigawatts dans l’air). A un tel niveau d’intensité le faisceau a tendance à se contracter en raison de l’effet Kerr optique jusqu’à ce que l’intensité devienne suffisamment élevée pour ioniser le milieu, donnant naissance à un plasma de défocalisation. Par la suite, une compétition dynamique entre ces deux effets a lieu, produisant un canal de plasma mince et faiblement ionisé dans le sillage de l’impulsion. Depuis sa découverte en 1995, la filamentation laser femtoseconde dans l’air a suscité un intérêt considérable en raison de la physique riche impliquée dans ce processus et de la large gamme d’applications potentielles (détection à distance, conversion de fréquences optiques, contrôle atmosphérique par laser, génération d’ondes Térahertz, etc. ). Cette thèse est consacrée principalement à l’étude des rayonnements secondaires cohérents émis lors de la filamentation femtoseconde dans les gaz. Tout d’abord, je me suis intéressé à la luminescence ultraviolet des filaments de plasma, qui est associée à les transitions de l’azote moléculaire neutre et ionique dans un état excité. J’ai démontré que cette luminescence dépend fortement de l’état de polarisation des impulsions laser incidentes. J’ai ensuite décrit et interprété pour la première fois l’apparition d’un gain optique important observé vers l’arrière de la colonne de plasma dans l’azote. Ce gain apparait lorsque les impulsions laser femtoseconde à 800 nm sont polarisées circulairement et à pression atmosphérique. Cet effet constitue une étape importante vers la réalisation d’un “laser dans le ciel”. La dernière partie de la thèse, porte sur la génération du rayonnement Térahertz par plusieurs filaments laser femtoseconde. Par la synthèse cohérente du rayonnement Térahertz d’un réseau de filaments, j’ai ainsi démontré la possibilité d’accroitre l’intensité Térahertz et de contrôler la directivité de ce rayonnement par l’organisation de filaments multiples.


  • Résumé

    Laser filamentation is a nonlinear optical phenomenon which appears spontaneously during the propagation of an intense ultrashort laser pulse in a transparent medium, when the pulse peak power exceeds a critical value (several Gigawatts in air). At such an intensity level the beam tends to collapse due to the optical Kerr self-focusing effect until the intensity is high enough to ionize the medium, giving rise to a defocusing plasma. Thereafter, a dynamic competition between these two effects takes place, leaving a thin and weakly ionized plasma channel in the wake of the pulse. Following its discovery in 1995, femtosecond laser filamentation in air has attracted considerable interest because of the rich physics involved in the process and the wide range of potential applications (remote sensing, light frequency conversion, laser-based weather control, Terahertz generation, etc. ). This thesis is devoted to the study of the coherent secondary emission from femtosecond laser filaments in gases. First, the ultraviolet luminescence of plasma filaments, corresponding to transitions of excited neutral and ionic molecular Nitrogen, is studied. I demonstrate that this luminescence depends strongly on the polarization state of the incident laser pulses. I further report and interpret for the first time a strong optical gain in the backward direction from plasma filaments created by circularly polarized 800 nm femtosecond laser pulses at normal pressure. This effect is a significant step towards the realization of a “laser in the sky”. In the last part of the thesis, I discuss the Terahertz generation from multiple femtosecond laser filaments in air. The coherent synthesis of the Terahertz radiation from an array of filaments is demonstrated, showing the capability for energy scaling up and directionality control of the Terahertz emission.

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  • Détails : 1 vol. (160 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 279 réf.

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