jeudi 21 septembre 2017

Filamentation optique d’une impulsion laser femtoseconde dans l’air

Extrait

Principe de la filamentation laser 

D’ores et déjà, les lasers dit femtosecondes sont commercialisés et couramment utilisés en laboratoire et dans l’industrie. Ce type de laser émet des impulsions ayant une durée de l’ordre de quelques dizaines de femtosecondes, à une cadence qui peut aller de quelques Hz à plusieurs MHz.

 Chaque impulsion contient une énergie qui peut facilement atteindre 10 mJ voire quelques joules dans les installations les plus importantes. La puissance crête d’une impulsion étant donnée par la relation P ∼ WL/dt, oû WL est l’énergie de l’impulsion et dt sa durée, une impulsion de 100 fs avec un Joule d´énergie correspond donc à une puissance instantanée de dix térawatts. Or, le térawatt est comparable à la puissance électrique moyenne consommée sur la planète à chaque instant. On conçoit que la propagation d’une telle impulsion dans l’atmosphère n’obéit plus aux lois de l’optique classique, car les propriétés optiques de l’air sont modifiées en présence du champ électromagnétique intense

Le premier effet qui va intervenir est l’effet Kerr optique, représenté schématiquement sur la Figure 2.1. L’indice de réfraction de l’air est augmenté en présence d’un champ électromagnétique, selon la relation n = n0 + n2IL(r, t). Cet effet est bien connu depuis l’avènement des lasers dans les années 60, car il apparaît facilement dans les milieux denses où l’indice non linéaire n2I est grand, même pour des puissances laser de quelques Mégawatts . Il est notamment responsable de la cassure des matériaux amplificateurs dans les chaînes laser à haute puissance. 

En revanche, dans un gaz tel que l’air où l’indice est très voisin de celui du vide, la modification de l’indice est beaucoup moins importante, mais cumulés sur de longues distances, elle aboutit néanmoins à des effets spectaculaires. Pour bien comprendre cet effet cumulatif, considérons une tranche temporelle de l’impulsion au voisinage de son sommet et intéressons-nous à la répartition spatiale de l’intensité. Celle-ci (hormis cas exceptionnel) est maximale au centre du faisceau. L’effet Kerr optique réalise pour cette tranche temporelle l´équivalent d’une lentille, car le faisceau voit un indice plus important au centre de la pupille que sur les bords o`u l’intensité laser est faible.

 L’effet Kerr optique fera (11 2. Filamentation optique dans l’air) donc converger un faisceau initialement collimaté. Mais cet effet est cumulatif. En effet, au cours de la progression de l’impulsion dans l’air, l’intensité sur l’axe augmente à cause de l’effet précédemment décrit, ce qui augmente à son tour la variation de l’indice et donc l’effet de convergence.






On a l’équivalent d’une série de lentilles de plus en plus convergentes. Fig. 2.1 - Schéma de l’effondrement d’un faisceau laser femtoseconde de profil gaussien par effet Kerr contrebalancé par l’ionisation de l’air. Au-dessus d’une certaine puissance initiale appelée puissance critique Pcr, l’effet Kerr pourra même se poursuivre au-delà de la limite imposée par la diffraction. 

Cette puissance critique a pour expression dans le cas d’un faisceau de profils gaussiens : Pcr = 3, 77λ 2 0 8πn0n2 = 3, 2 GW où n0 est l’indice linéaire de l’air, λ0 = 800 nm est la longueur d’onde du laser et n2 = 3, 2.10−19 cm2 .W−1 est l’indice non linéaire de l’air responsable de l’effet Kerr. On a donc affaire à un effet catastrophique et l’on s’attend à un effondrement du faisceau, car même la diffraction naturelle serait incapable d’arrêter le processus. Cependant, avant d’atteindre cette limite où le diamètre du faisceau devient inférieur à la longueur d’onde, l’intensité devient tellement importante que d’autres effets, fortement improbables à plus faible intensité, entrent en jeu. L’effet principal est l’ionisation multi-photonique. 

Le champ électrique associé à l’impulsion laser devient suffisamment important pour arracher des électrons périphériques aux molécules d’oxygènes et d’azotes contenues dans l’atmosphère. Un plasma se forme alors rendant l’air électriquement conducteur.

( source : https://hal.inria )

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