Propagation of terawatt-femtosecond laser pulses and its application to the triggering and guiding of high-voltage discharges

• Auteur / Autrice : Roland Ackermann
• Direction : Jean-Pierre Wolf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Lyon 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lidar

Décharges électriques

Lasers femtoseconde

Résumé

La propagation d'une impulsion térawatt ultra-brève dans l'atmosphère peut s'accompagner du phénomène de filamentation. La lumière se trouve alors auto-guidée dans des plasmas appelés filaments dont le diamètre est de l'ordre de 100 µm et la longueur peut s'étendre jusqu'à quelques centaines de mètres. De plus, le spectre initial de l'impulsion est considérablement élargi. Ces propriétés offrent la possibilité d'améliorer la technique LIDAR et de contrôler la foudre. Nous avons montré que les filaments survivent à la propagation dans une turbulence forte et peuvent se développer sous une pression atmosphérique réduite et sous la pluie. Pour la première fois, la lumière blanche générée par une impulsion ultra-brève, multi-térawatt a été détectée à une altitude de 20 km. En collaboration avec des installations haute-tension, nous avons déterminé la durée de vie du plasma du filament et la longueur sur laquelle il est possible de guider des décharges électriques. Nous avons pu augmenter l'efficacité de déclenchement avec une configuration à double impulsion. Enfin, nous avons montré que le déclenchement et le guidage sont possibles sous une pluie artificielle. Ces résultats se sont révélés très encourageants en vue d'expériences LIDAR à lumière blanche et du contrôle de la foudre

When an ultrashort-terawatt laser pulse is propagating through the atmosphere, long filaments may develop. Their light is confined in an area of about 100 µm over distances up to several hundred meters, and an air plasma is generated along the beam path. Moreover, filamentation leads to a significant broadening of the initial pulse spectrum. These properties open the perspective to improve classical LIDAR techniques as well as to laser lightning control. In the laboratory, we have shown that the filaments survive the propagation through highly turbulent air as well as under adverse atmospheric conditions such as rain and reduced pressure. By using a multi-terawatt, ultrashort laser pulse, the white-light LIDAR signal could be detected at an altitude of more than 20 km for the first time. In cooperation with high-voltage facilities, the effective plasma lifetime for the laser guiding of discharges and the achievable guided lengths have been determined. By using an additional nanosecond laser pulse, the triggering probability could be significantly enhanced. Furthermore, we have shown that the triggering and guiding is possible in artificial rain. These results encourage further research aiming at the application of white-light LIDAR and real-scale lightning control