Lasing effect in femtosecond filaments in air

par Pengji Ding

Thèse de doctorat en Physique quantique

Sous la direction de Yi Liu.

Soutenue le 13-09-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'optique appliquée (laboratoire) .

Le président du jury était Arnaud Couairon.

Le jury était composé de Yi Liu, Cold Arnold, André Mysyrowicz.

Les rapporteurs étaient Olga Kosareva, Milutin Kovačev.

  • Titre traduit

    Effet laser dans les filaments femtoseconde produits dans l'air


  • Résumé

    La filamentation laser femtoseconde dans l'air est un phénomène qui implique une riche famille d'effets optiques non linéaires. Effet laser de filaments a émergé comme un phénomène nouveau en 2011. Il a été activement étudiée au cours des dernières cinq années, non seulement en raison de ses applications potentielles dans les techniques de télédétection mais aussi la physique pour découvrir. Cette thèse est consacrée principalment à l'étude de deux types d'effets laser à partir du plasma filamentaire généré par 800 nm impulsions laser femtosecondes dans l'air ou l'azote pur. Le premier est l'émission spontanée amplifiée à 337 nm longueur d'ondes de molécules d'azote neutre qui est bidirectionnel, activée uniquement par des impulsions polarisées circulairement. Le mécanisme d'inversion de population est attribuée à électrons-molécules collisions inélastiques entre les électrons énergiques et les molécules d'azote neutres sur l'état du sol. La caractérisation complète de 337 nm impulsion laser vers l'avant et vers l'arrière est réalisée. En particulier, les mesures de profil temporelles sont comparées à des simulations numériques basées sur l'équation de Maxwell-Bloch à une dimension, qui se révèle être en bon accord. Un autre type d'effet laser est lié à ions d'azotes excités, émettant à 391 nm et 428 nm longueurs d'onde. Ce type d'effet laser est observée avec laser pompe polarisée linéairement. Il est caractérisé systématiquement dans des domaines spatiaux, temporels et spectrales. Les résultats du profil temporel prouve que l'émission laser ionique est fondamentalement superradiance. Un nouveau mécanisme, à savoir le processus d'excitation recollision d'électrons, est proposé pour la réalisation de la distribution de la population dans le niveau supérieur de la transition. Il est soutenu par deux mesures expérimentales consistant en la dépendance de 391 nm émission laser à l'ellipticité et la dépendance à longueur d'onde de laser pompe. Des simulations numériques donnent un bon accord avec l'observation expérimentale.


  • Résumé

    Femtosecond laser filamentation in air is a phenomenon that involves a rich family of nonlinear optic effects. Lasing effect from filaments has emerged as a new phenomenon in 2011. It has been actively studied in recent 5 years not only because of its potential applications in remote sensing techniques but also the fruitful physics involved. This thesis is devoted to the study of two types of lasing effect from filament plasma generated by 800 nm femtosecond laser pulses in air or pure nitrogen. The first is the bidirectional amplified spontaneous emission at 337 nm wavelength of neutral nitrogen molecules, only enabled by circularly-polarized pulses. The population inversion mechanism is attributed to inelastic electron-molecule collisions between energetic electrons and neutral nitrogen molecules on the ground state. Full characterization of both forward and backward 337 nm lasing pulse is conducted. Particularly the temporal profile measurements is compared to numerical simulations based on one-dimensional Maxwell-Bloch equation, which turns out to be in good agreement. Another type of lasing effect is related to excited nitrogen ion, emitting at 391 nm and 428 nm wavelengths. This type of lasing effect can only be observed with linearly-polarized pump laser. It is systematically characterized in spatial, temporal and spectral domains. The temporal profile results proves that ionic lasing emission is fundamentally superradiance. A new mechanism, namely the electron recollision excitation process, is proposed for the achievement of population distribution in the upper level of transition. It is supported by two experimental measurements consisting of pump ellipticity dependence and pump wavelength dependence of 391 nm lasing intensity. Numerical simulations give good agreement with the experimental observation.


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