Tailoring femtosecond laser filamentation in the atmosphere - ENSTA Paris - École nationale supérieure de techniques avancées Paris
Thèse Année : 2024

Tailoring femtosecond laser filamentation in the atmosphere

Optimisation de filaments laser femtoseconde dans l'atmosphère

Silin Fu
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1489248
  • IdRef : 282545530

Résumé

When a femtosecond laser pulse propagates in a nonlinear medium with a power exceeding the self-focusing threshold, a long plasma filament is formed. This allows the femtosecond pulse to propagate distances far greater than the Rayleigh length while maintaining a small beam waist and a high intensity in any transparent media, including air. By optimizing the laser parameters, filamentation has been achieved up to kilometric distances. These filaments have many applications, especially in the atmosphere. They can guide lightning, create waveguide structures in the air for optical signals, reduce the drag in supersonic flight, guide terahertz and microwave radiation, and serve as sources of air lasing and terahertz radiation for remote sensing.This thesis deals with the spatio-temporal tailoring of femtosecond laser filaments in air, and their optimization for atmospheric applications.In the first part, we detail the principles and theoretical models of filament generation and the methods used to characterize filaments in this work.In the second part, we present a detailed study on the generation of filaments with Laguerre-Gaussian beams, including measurements of the critical power for self-focusing and of the deposited energy in filaments under different conditions.The third part discusses the organization of filaments along the transverse section of the beam, using vortex and other Laguerre-Gaussian beams for the realization of optical air waveguides. We first demonstrate that vortex beams are a simple method to create air waveguides. Then, by combining vortex beams with multifocal phase plates, we significantly extend the length of these air waveguides. Finally, utilizing the cumulative effect produced by the filaments at a kHz repetition rate, we generate a permanent air waveguide up to several tens of meters long.In the fourth part, we discuss the organization and extension of filaments along the propagation axis of the beam. Using Laguerre-Gaussian beams, we significantly extend the filament length and successfully increase the guided discharge distance compared to a classical gaussian beam. Additionally, by using multifocal phase plates to generates three foci along the laser axis, we produce extended superfilaments, doubling the length of laser guided discharges.In the fifth part, we discuss the generation of spatio-temporally controlled light filaments, using a flying focus technique. We demonstrate the formation of an ionization front with adjustable speed and direction. The later can generate a pure Cherenkov terahertz radiation when the ionization front velocity is superluminal, thus increasing the terahertz radiation produced by monochromatic light filaments in air by an order of magnitude.
Lorsqu'une impulsion laser femtoseconde se propage dans un milieu transparent avec une puissance dépassant le seuil d'auto-focalisation, un long filament de plasma se forme dans le milieu. Ce phénomène permet au laser femtoseconde de se propager sur des distances bien supérieures à la longueur de Rayleigh tout en maintenant une faible largeur de faisceau et une intensité laser élevée dans les milieux non linéaires, y compris l'air. En optimisant les paramètres du laser, des filaments de ont été obtenus jusqu’à des distances kilométriques. Les filaments femtoseconde ont de nombreuses perspectives d'application, notamment dans l’atmosphérique. Ils peuvent guider la foudre, créer des structures de guide d'ondes optiques dans l'air, réduire la traînée des engins supersoniques, guider les radiations térahertz et micro-ondes, et servir de sources lasers atmosphériques et de sources de radiations térahertz pour la télédétection.Ce travail de thèse porte sur la mise en forme spatio-temporelle de filaments femtoseconde dans l'air, et sur leur optimisation pour des applications atmosphériques.Dans la première partie, nous détaillons les principes et les modèles théoriques de la génération de filaments laser ainsi que les méthodes utilisées pour caractériser les filaments dans ce travail.Dans la deuxième partie, nous présentons une étude détaillée de la génération de filaments avec des faisceaux Laguerre-Gauss, y compris une mesure de la puissance critique d’auto-focalisation et de l'énergie déposée dans les filaments en fonction des paramètres de ces faisceaux.La troisième partie concerne l’organisation de faisceaux de filaments dans la section du faisceau laser, en utilisant des faisceaux vortex et d'autres faisceaux Laguerre-Gauss pour optimiser la formation de guides d'ondes optiques dans l’air à l’aide de filaments. Nous démontrons d'abord que les faisceaux vortex sont une méthode simple pour créer des guides d'ondes atmosphériques, et en combinant les faisceaux vortex avec des lames de phase multifocales, nous prolongeons la longueur du guide d'ondes atmosphérique. Enfin, en utilisant l'effet de chauffage cumulatif créé par des filaments à haute cadence, nous démontrons la génération de guides d'ondes atmosphériques permanents de plusieurs dizaines de mètres de long.Dans la quatrième partie, nous discutons de l’organisation de filaments le long de l'axe de propagation du faisceau. En utilisant des faisceaux Laguerre-Gauss, nous prolongeons significativement la longueur du filament par rapport à un faisceau gaussien et augmentons avec succès la distance de décharge électriques guidée par laser. De plus, en utilisant des lames de phase multifocales pour produire plusieurs foyers, nous générons des superfilaments étendus, doublant la distance de décharge guidée.Dans la cinquième partie, nous discutons de la génération de filaments lumineux contrôlés par une technique de « flying focus », permettant de contrôler la vitesse et la direction du front d'ionisation. Un front superluminal permet ainsi la génération d'un rayonnement térahertz de type Cherenkov, augmentant ainsi d'un ordre de grandeur le rayonnement térahertz produit par des filaments de lumière monochromatique dans l'air.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04884687 , version 1 (13-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04884687 , version 1

Citer

Silin Fu. Tailoring femtosecond laser filamentation in the atmosphere. Optics [physics.optics]. Institut Polytechnique de Paris, 2024. English. ⟨NNT : 2024IPPAE017⟩. ⟨tel-04884687⟩
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