Energy deposition in air from femtosecond laser filamentation for the control of high voltage spark discharges

Résumé : La filamentation laser est un régime de propagation optique spectaculaire atteint pour des impulsions dont la puissance crête excède quelques gigawatts dans l’air. Le filament se forme sous l’action de l’effet Kerr optique du milieu traversé qui tend à auto-focaliser le faisceau jusqu’à ce que l’intensité résultante atteigne le seuil d’ionisation du milieu par absorption multiphotonique. Une compétition dynamique complexe s’établit alors entre l’effet Kerr, d’une part, et la diffraction, l’absorption non-linéaire de l’énergie laser et l’effet défocalisant du plasma d’autre part. Il en résulte une réorganisation du profil du faisceau, caractérisée par un coeur mince (100 µm) et intense (10^18 W/m²) pouvant se maintenir sur une distance égale à plusieurs longueurs de Rayleigh. Lorsque la puissance initiale de l’impulsion dépasse largement le seuil de filamentation, on assiste à la formation de plusieurs filaments co-propagatifs au sein du même faisceau, chacun de ces multifilaments possédant des caractéristiques physiques proches de monofilaments isolés. Au cours de sa propagation dans l’air, le filament transfère une partie de l’énergie laser au milieu, principalement via l’excitation rotationnelle Raman des molécules d’air, l’ionisation de l’air et l’effet de Bremsstrahlung inverse au sein du plasma. Cette énergie est redistribuée au cours de la nanoseconde suivant le passage du laser, principalement sous forme d’énergie translationnelle des molécules d’air, c’est-à-dire de chaleur. Le milieu réagit à ce chauffage rapide par la formation d’une onde de pression cylindrique, qui ramène le système à l’équilibre de pression en éjectant de la matière du centre. Il en résulte la formation d’un canal d’air sous-dense et chaud, qui se résorbe par diffusion à des échelles de temps supérieures à la milliseconde. Ma thèse s’est en premier lieu focalisée sur l’étude et l’optimisation du dépôt d’énergie dans l’air par filamentation. J’ai ainsi étudié l’influence des différents paramètres laser, comme l’énergie de l’impulsion, la focalisation employée et la durée d’impulsion sur la densité d’énergie déposée. Pour ce faire, j’ai employé plusieurs diagnostics complémentaires : mesure des ondes de pression à l’aide de microphones, analyse du plasma de filament par spectroscopie et mesure résolue en temps des canaux sous-dense par interférométrie. J’ai ainsi montré en régime de monofilamentation qu’au-delà d’une certaine énergie laser initiale, le dépôt d’énergie devient si important qu’une onde de choc est générée en lieu et place d’une onde sonore, et que les canaux sous-denses résultant ont des durées de vie de l’ordre de 100 ms. J’ai également étudié et caractérisé le régime de multifilamentation à haute énergie, montrant qu’en focalisant modérément l’impulsion, les filaments se réorganisent dans la zone focale pour former des structures plus larges générant un plasma dix fois plus dense que les filaments. Les effets hydrodynamiques engendrés par filamentation entraînent un abaissement transitoire du seuil de claquage électrique de l’air le long du trajet de l’impulsion laser, permettant ainsi de déclencher et de guider des décharges électriques. La seconde partie de ma thèse avait pour objet l’étude et l’optimisation de telles décharges guidées pour la mise au point d’une antenne plasma radio-fréquence, de commutateurs haute tension sans contact ou encore d’un paratonnerre laser. Pour ce faire, j’ai développé et construit un diagnostic plasma interférométrique à deux couleurs permettant de caractériser la durée de vie des plasmas générés. J’ai également participé à une expérience de principe démontrant la possibilité de réaliser une antenne plasma RF à partir d’un filament laser. Enfin, j’ai participé à diverses études expérimentales prospectives dans l’optique du développement d’un paratonnerre laser.
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Thèse
Optics [physics.optics]. Ecole Polytechnique, 2015. English
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Contributeur : Guillaume Point <>
Soumis le : mardi 22 septembre 2015 - 09:45:20
Dernière modification le : mercredi 23 janvier 2019 - 10:28:56
Document(s) archivé(s) le : mardi 29 décembre 2015 - 06:55:53

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Guillaume Point. Energy deposition in air from femtosecond laser filamentation for the control of high voltage spark discharges. Optics [physics.optics]. Ecole Polytechnique, 2015. English. 〈tel-01202982〉

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