Theoretical investigations of terahertz generation in laser-induced microplasmas

par Illia Thiele

Thèse de doctorat en Lasers, matière et nanosciences

Sous la direction de Stefan Skupin et de Rachel Nuter.

Le président du jury était Éric Cormier.

Le jury était composé de Mark Thomson, Luc Bergé, Patrick Mounaix, Evangelos Siminos.

Les rapporteurs étaient Olga Kosareva, Tünde Fülöp.

  • Titre traduit

    Étude théorique de la génération térahertz dans les microplasmas induits par laser


  • Résumé

    Nous étudions la génération de rayonnement TeraHertz (THz) dans des microplasmas produits par des lasers femtosecondes. Cette technique est prometteuse pour créer efficacement des sources THz compactes et étendue spectralement (0.3-30 THz), qui intéressent de nombreuses applications, comme l’identification spectroscopique de substances dangereuses ou encore l’imagerie en biologie et médecine. Contrairement aux sources conventionnelles, comme les interrupteurs photo-conducteur, les sources THz basées sur des plasmas ne sont pas limitées par la tenue au flux et couvrent l’ensemble du spectre THz. Afin de modéliser des microplasmas générés par des faisceaux laser fortement focalisés, nous présentons un nouvel algorithme qui permet d’injecter tout type de laser dans des codes électromagnétiques. Nous dérivons aussi un modèle compatible avec les équations de Maxwell qui inclut les deux mécanismes générateurs de THz: le courant d’ionisation (IC) et le mécanisme “Transition-Cherenkov” (TC). Ce dernier mécanisme domine la production de THz pour des lasers à plusieurs cycles optiques, où l’émission est produite par les courants d’électron longitudinaux. Dans le cas des microplasmas où un champ électrostatique externe est ajouté, le taux de conversion énergétique laser/THz peut être augmenté de deux ordres de grandeur via le mécanisme IC lorsque le champs statique ou la pression du gaz sont accrus. De plus, les simulations 3D montrent que pour un faisceau laser à deux couleurs et dans des conditions optimales de focalisation, une énergie laser de 10 micro-Joule est suffisante pour atteindre des taux de conversion bien au-dessus de 10−4. Dans ce cas, la nature transverse du courant IC est cruciale pour accroitre l’efficacité avec la longueur du plasma. En considérant un faisceau laser à deux couleurs de forme elliptique, nous proposons de contrôler les spectres d’émission en exploitant les effets plasmoniques résonants.


  • Résumé

    We investigate terahertz (THz) generation in fs-laser-induced microplasmas, which are promising candidates for compact and efficient broadband THz sources (0.3-30 THz). Such sources have various applications as spectroscopic identification of hazardous substances or THz imaging in biology and medicine. Unlike conventional THz sources as photoconductive switches, gas-plasma-based THz sources do not suffer from irreversible material damage and can cover the whole THz range at once. To simulate tightly-focused-laser-induced microplasmas, we propose an efficient numerical algorithm that can introduce any arbitrarily shaped laser pulses into electromagnetic codes. We derive a Maxwell-consistent model that includes two major THz generation mechanisms, the ionization current (IC) and transition-Cherenkov mechanisms (TC). The latter mechanism is shown to dominate for single-color multi-cycle lasers pulses where the emission is driven by longitudinal electron currents. For microplasmas a constant electric field can boost the laser-to-THz converison efficiency by two orders of magnitude via the IC mechanism when increasing the gas-pressure and bias-voltage. Moreover for two-color-driving laser pulses, Maxwell-consistent 3D simulations show, that only 10 μJ laser pulse energy are sufficient to reach conversion efficiencies well above 10−4 when optimizing the focusing conditions. Here, the transverse nature of the IC currents is crucial for the up-scaling of the efficiency with the plasma length. By using elliptically-shaped two-color-driving laser beams, we propose to control the emission spectra by exploiting resonant plasmonic effects.


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