Filamentation of ultra-short laser pulses in air and water : study of energy transfert process
Filamentation d'impulsions laser ultra-courtes dans l'air et dans l'eau : étude des processus de transfert d'énergie
Résumé
With the development of ultrashort lasers, pulses with peak power in the gigawatt level are easily obtained. In this intensity range, the propagation is no longer linear. Due to the Kerr effect, the beam self-focuses and tends to collapse until the intensity is high enough to ionize the medium, an effect that defocuses the beam. A dynamic competition takes place between Kerr effect, ionization and diffraction, resulting in a spectacular reshaping of the beam in an intense core propagating over many Rayleigh lengths. During this phenomenon, called laser filamentation, a thin and weakly ionized plasma channel is left in the trail of the pulse. This propagation mode strongly affects the pulse and the medium where it happens. Through several collaborations, I focus this work on experimental studies of the impact of the filamentary propagation in gases and liquids. I thus mapped the spatio-temporal distortions of the pulse during its propagation in water and identified their signatures in the spatial, spectral and energetic domain. I then characterized the energy losses in water and the shock wave generated by the plasma relaxation in different power ranges and focalisation geometries, for the generation of acoustic waves by femtosecond laser pulses. On the other hand, I studied the plasma generated at the intersection of two crossing filaments in molecular and atomic gases. I demonstrated that its spatial properties and transient behaviour can spatially and temporally filter a laser pulse, and could potentially offer a new alternative to generate femtosecond laser pulses with a high contrast and good quality beam profile. Finally I characterized the compression of high energy femtosecond pulses with a planar hollow waveguide and demonstrated that the time compressed pulses can be used to generate high order harmonics, and in general for high field physics.
Le développement des chaines laser femtoseconde amplifiées a permis de mettre à la disposition des chercheurs des impulsions dont la puissance crête excède quelques Gigawatts. Dans ce régime de puissance, la propagation du faisceau laser est fortement non-linéaire. L'effet Kerr auto-focalise le faisceau qui s'effondre sur lui-même jusqu'à ce que l'intensité soit suffisante pour générer un plasma à effet défocalisant. La compétition dynamique entre l'effet Kerr, l'ionisation et la diffraction permet de conserver une intensité élevée dans le cœur du faisceau sur une grande distance. Dans ce processus, dit de filamentation, l'impulsion lumineuse laisse dans son sillage une mince colonne de plasma faiblement ionisé. Le phénomène de filamentation peut affecter fortement l'impulsion laser et le milieu dans lequel elle se propage. Par le biais de multiples collaborations, je me suis attachée au cours de cette thèse à étudier expérimentalement plusieurs effets liés à la propagation non-linéaire dans les gaz et dans les liquides. Ainsi j'ai réalisé une cartographie des déformations spatio-temporelles de l'impulsion au cours de sa propagation dans l'eau et mis en évidence leurs signatures dans le domaine spatial, spectral, et énergétique. J'ai ensuite caractérisé le dépôt d'énergie dans l'eau liquide et l'onde de choc induite par la relaxation du plasma dans différents régimes de puissance et de focalisation, dans le but d'analyser la génération d'ondes acoustiques par des impulsions laser femtoseconde. Par ailleurs, j'ai étudié le plasma formé à l'intersection de deux filaments dans différents gaz moléculaires et atomiques. J'ai mis en évidence que ses propriétés spatiales et transitoires permettent un filtrage spatio-temporel d'une impulsion incidente, ce qui pourrait constituer une nouvelle alternative aux techniques de filtrage d'impulsions femtoseconde. Enfin, j'ai caractérisé la compression d'impulsions énergétiques dans un guide plan creux et démontré que les impulsions comprimées temporellement pouvaient être utilisées pour la génération d'harmoniques d'ordres élevés, et plus généralement pour la physique de haute intensité.