Voici pour moi une des expériences les plus intéressantes et également la plus difficile à réaliser ! Pourquoi ? Parce que produire une filamentation dans un milieu gazeux nécessite une intensité laser extrême 3GW !! La filamentation est un effet de polarisation non linéaire du 3eme ordre ! Contrairement aux phénomènes du second ordre, certains processus du troisième ordre obéissent automatiquement à l’accord de phase.
La polarisation non linéaire amène a un indice de réfraction qui dépend non linéairement du champ qui se propage
donc une variation de l'indice de réfraction en temps et en espace transverse.
En temps c'est la Self Phase Modulation (SPM) qui donne un élargissement spectral.
La filamentation produit une continuum de lumière blanche dans l'air (0.25 - 4 microns)
En espace transverse c'est l'auto-focalisation (lentille de KERR) Les composantes spectrales de grandes longueurs d’onde se propagent dans l’air plus vite que celles des plus courtes. La conséquence directe de l’allongement de la durée de l’impulsion est la chute de la puissance crête qui empêche la propagation des impulsions sur de longues distances. Par exemple, une impulsion initiale de 60 fs à 800 nm est étirée à 926 fs après un kilomètre de propagation dans l’air, et ainsi la puissance est réduite d’un facteur de dix !
Le spectre initial de l’impulsion laser est alors fortement élargi et forme un continuum de lumière blanche couvrant une large gamme de longueurs d’onde. Par exemple, une impulsion de 30 fs à 800 nm, avec une intensité crête de 2.1015W/m2 se propageant sur une distance de 100 m, permet d’obtenir une bande spectrale comprise entre 230 et 4500 nm !
Lors de la propagation d’une impulsion laser ultra-brève et intense, de nombreux effets non linéaires contribuent à modifier la dynamique de l’impulsion. Ces non linéarités sont induites par les intensités très élevées que nous considérons et se répercutent de manière significative sur la propagation de l’impulsion. Les effets non linéaires tels que l’effet Kerr ou l’ionisation multi-photonique ont été décrits précédemment mais de manière indépendante. Ainsi, si la puissance du faisceau laser dépasse la puissance critique d’auto-focalisation, celui-ci tend à s’effondrer sur lui-même, après quoi une compétition entre l’effet Kerr, la diffraction, l’absorption multi-photonique et la défocalisation causée par la formation du plasma s’établit et mène à une propagation du faisceau laser sous la forme d’un filament créant dans son sillage un canal de plasma. Cette propagation du faisceau laser est dite autoguidée bien que ce terme ne se réfère pas à un guide.
Une des première condition pour obtenir une filamentation est d'avoir un faisceau Gaussien ! La deuxième condition est de trouver un milieu présentant un indice de réfraction non linéaire n2 le plus grand que possible pour avoir une intensité laser la plus petite possible!
Voici un tableau donnant les valeurs n2 des différents milieux.
voici quelques valeurs d'intensité laser nécessaire pour obtenir la filamentation selon la formule
Pour l'air avec un laser Ti:Sapphir 800nm Pcr = 1.9 GW et 6GW à 1053nm ! Pour le verre BK7 laser verre Nd 1063nm Pcr = 3.3 GW Pour le quartz (silice) à 1063nm Pcr = 3.1 MW Pour l'eau avec laser Nd:YAG 1064 nm Pcr = 3.0 MW
Notons que pour s'auto-focaliser un faisceau laser doit avoir une puissance crête supérieure à la puissance critique (quelques gigawatts dans l'air à 800 nm) mais ce n'est pas une condition suffisante. En effet, dans le cas d'impulsions laser infrarouge (IR) de durée nanoseconde ou supérieure, des phénomènes de bremsstrahlung inverse et d'ionisation par avalanche vont apparaître pendant le collapsus du faisceau et générer un claquage optique. Le plasma dense et opaque alors produit empêche l'établissement du régime de filamentation.
L'autre possibilité est d'utiliser un laser femtoseconde du type COHERENT Libra de 1mJ en 50 fs (20GW) maleureusement ce type de laser coût près du millions d'euro donc innacessible !
J'ai donc opté de réaliser des tests de filamentations dans des liquides comme l'eau, le sulfure de carbone etc... Voici une photo d'une filamentation dans l'eau colorée avec une puissance crête de 20MW en 6ns issu de mon laser YAG q-switch.
TESTS AU DISULFURE DE CARBONE AVEC UN LASER A AZOTE MONOMODE Voici un test avec du sulfure de carbone CS2. La valeur de l'indice de réfraction non linéaire n2 = 3.10-18 m2W-1et n1= 1.598 ce qui donne Pcr=35,4 kW@1064nm !
Autre posibilité très intéressante pour réaliser de la filamentation avec mon laser à azote MOPALITER MOPA-600 monomode avec 600 kW de sortie! Dans l'UV l'intensité critique est encore plus basse ! Pcr= 3.5 kW !!!! Calcul de la distance d'autofocalisation Zf
Le laser MOPA-600 à un faisceau TEM00 avec2Winc= 1.2 mm alors la longueur Zf = 1020 mm cela m'oblige de faire une cellule de 1.2 mètre de long. Alors je préfère focalisé à 0.12mm ce qui me donnera un Zf de 10mm.
Voici une simulation par ordinateur d'un filament dans du disulfure de carbone.
Filamentation dans de l'argon à 500 mBar au moyen d'un laser femtoseconde. Le faisceau infrarouge entre dans le tube de verre sur la gauche et le filament de 60 centimètres composé d'un plasma d'argon émet de le lumière violette et sur la sortie de la lumière blanche. Prof.Dr.Gunter Steinmeyer ICI
Pour obtenir de la filamentation dans l'air il faut un laser de 3.5GW à 790nm donc je vais utiliser mon laser CLARK de 10GW. Dans le tube de verre muni des portes fenêtres à l'angle de Brewster de couleur jaune rempli de gaz d'argon à 650Torr la filamentation prendra naissance à 750 mm de l'entrée du tube et on pourra visualiser le ou les filaments produits comme dans l'expérience du Prof.Dr. Gunter Steinmeyer (photo ci-dessus)
