des filaments de plasma pour étudier l`atmosphère
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Propagation non-linéaire d’impulsions laser ultrabrèves dans l’atmosphère et applications Des filaments blancs pour sonder l’atmosphère Jérôme Kasparian GAP, Université de Genève Collaboration Téramobile : Lyon, Berlin, Jena, Palaiseau, Genève Bonascre, 2 octobre 2007 Plan • Le processus de filamentation • Contrôle de la filamentation • Contrôle de décharges de haute tension • Propagation des filaments en atmosphère perturbée • Conclusion et perspectives Propagation non-linéaire Propriétés des filaments Propagation auto-guidée Φ = 100 µm Profil d’intensité « Lentille » de Kerr L > 300 m n = n0 + n2 I(r) Δn ≈ 10-5 E = 1-5 mJ Plasma Que se passe-t’il pour : • un faisceau puissant et étendu (multifilamentation) ? • très longues distances ? • un profil de faisceau « sale » ? • contrôler le processus ? I = 1014 W/cm2 ρ = 1015 cm-3 λ = 230 nm... 4µm Conductivité électrique • Filament ionisé sur sa longueur • Propagation à grande distance ( >100 m) • Faible résistivité : ~106 Ω/m pour un mono-filament Un « fil électrique » qu’on peut « placer » où on veut dans le ciel Contrôle de décharges électriques Filamentation et lumière blanche 5 mJ 400 mJ Émission conique ΘCE Automodulation de phase Champ E et intensité (u. a.) 1 Champ électrique Intensité 0,5 0 Kerr : n = n0 + n2 I(x,t) -0,5 -1 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Temps (fs) Champ E et intensité (u. a.) 1 d# ( t ) " (t ) = dt n 2" 0 dI ( t ) = "0 $ z c dt Champ électrique Intensité 0,5 0 -0,5 -1 -200 -150 -100 -50 0 Temps (fs) 50 100 150 ! Génération de lumière blanche 200 Production de lumière blanche J. Kasparian et al., Opt. Lett. 25, 1397 (2000) L. Bergé et al., PRE 71, 016602 (2005) détection de pollution (LIDAR) Contrôler les filaments Des filaments sur-mesure Dispersion de la vitesse de groupe Sans compensation Dispersion Impulsion "chirpée" Impulsion fs Avec précompensation Impulsion "antichirpée" Dispersion Impulsion fs J. Kasparian et J.-P. Wolf, Opt. Comm. 152, 355 (1998) Durée d’impulsion (fs) Effet du chirp 900 > 10 700 > 55 300 40 150 0 25 8 12 35 80 90 Distance (m) L’effet Kerr domine la dispersion à haute puissance Filaments observés jusqu’à 2 km ! H. Wille et al., Eur. Phys. J. A.P. 20, 183 (2002) Mise en forme d’impulsions laser Φ (λi) = Φ (λj) = 0 Φ (λi) ≠ Φ (λj) Algorithme génétique Rétroaction Mesure physique Impulsion originale Optimisation • “Solutions” aléatoires • Évaluer les solutions Optimisation LCD Intensité Phase Impulsion mise en forme • Mesurer • Sélectionner les “meilleures” • Les combiner : nouvelles solutions T. Back, H. Schwefel, Evolutionnary Computing 1, 1 (1993) Implantation dans le Téramobile H. Wille et al., Eur. Phys. J. A.P. 20, 183 (2002) Optimisation de la lumière blanche 36 m Lumière blanche à 360 nm Optimisation : x2-5 Optimisation de la lumière blanche Longueur d’onde (nm) 772 791 -400 Optimisation 0 Temps (fs) 400 -400 0 Temps (fs) 400 • Optimisation : chirp corrigé + second ordre • Même forme optimale à 360, 400, 500 nm • Pas de déformation du spectre L’automodulation de phase domine à 400 nm R. Ackermann et al., Appl. Phys. Lett. 89, 171117 (2006) Optimisation de l’ionisation de l’air J. Yu et al., Applied Optics. 42, 7117 (2003) Longueur d’onde (nm) 772 791 -400 Référence Optimisé : + 40 % Optimization 150 fs 800 fs 0 Temps (fs) 400 -400 -> Allonger l’impulsion ! 0 Temps (fs) 400 Déplacement des filaments Microphone -> L’optimisation repousse le début des filaments près du détecteur Optimisation des filaments • Optimisation en boucle fermée • Amélioration significative • Sans devoir modéliser • Aide à comprendre la physique en jeu • Chaque propriété indépendamment • Lumière blanche • Ionisation • Difficulté technique • Instabilités • Turbulence • Bas taux de répétition Contrôle de décharges de haute tension Court-circuit par les filaments conducteurs Déclencher la foudre • Faire tomber la foudre - pour l'étudier - pour tester des protections • Déclenchement par fusées-fil Un fil électrique dans le ciel… Déclencher la foudre • Faire tomber la foudre - pour l'étudier - pour tester des protections • Mais - le fil retombe - stock de fusées • Déclenchement par laser Contrôle de décharges de haute tension 1-10 m Décharge libre « Nuage » : -1 MV, 1,2 µs Terre Décharge guidée par laser -700 kV, 1,2 µs Filaments M. Rodriguez et al., Opt. Lett. 27, 772 (2002) Contrôle de décharges haute tension • Déclenchement : U50 réduit de 30 % • Guidage par les filaments • Propagation à longue distance (2 km) • Peut-on contrôler la foudre aussi ? • Mécanisme de décharge à grande distance • Durée de vie du plasma • Il pleut ! Interaction aérosol-atmosphère Turbulence, aérosols Détruit ? Transmis ? •Télécommunications •Télédétection Lidar •Imagerie, télémétrie •Déclenchement de foudre Interaction des filaments avec une région turbulente Pistolet à air chaud 800 nm 100 fs ~ 6 mJ Écran z Interaction avec la turbulence Le filament bouge avec le faisceau Survie des filaments 1,E-07 50% 90% 1,E-08 2 Cn threshold (m -2/3 ) 10% 1,E-09 -3 -2 -1 0 1 2 3 Position de la perturbation (m) 5 ordres de grandeur au-dessus de la turbulence naturelle ! Turbulence : pas le facteur limitant R. Ackermann et al., Opt. Lett. 31, 86 (2006) - R. Salamé et al., Appl. Phys. Lett, à paraître Interaction des filaments avec des aérosols individuels Générateur de gouttes 800 nm 100 fs ~ 6 mJ E (mJ) 1m d Goutte de 100 µm Énergie du filament ( mJ) Sans goutte Goutte d'eau Goutte d'encre Distance depuis le début du filament (m) Le filament survit ! Il regagne de l'énergie ! F. Courvoisier et al., App. Phys. Lett. 83, 213 (2003) Le bain "nourrit" le filament "Bain de photons" : 90 % de la puissance Le filament n'est pas un "tube". Simulations numériques (Luc Bergé, CEA) Interaction d'un filament avec un nuage 0.8 µm 100 fs < 6 mJ E (mJ) 1m d Transmission optique Interaction d'un filament avec un nuage Le filament traverse une épaisseur optique de 3,2 (Stratocumulus) ! Filament non affecté Densité du nuage (cm-3) Déclencher des décharges sous la pluie ? Densité optique 0,2 m-1 Gouttes 0,5 mm 1,5 mm/min : grosse pluie ! Déclenchement de décharges sous la pluie Probabilité de décharge réduite de 50 % Seuil inchangé ! R. Ackermann et al., Appl. Phys. Lett. 85, 5781 (2004) Entretenir le plasma : double impulsion laser Téramobile : 100 fs, 300 mJ Créer les filaments YAG vert : 10 ns, 500 mJ Photodétacher O2- Effet d'une seconde impulsion laser G. Méjean et al., APL 88, 021101 (2006) Évolution du plasma Sans 2ème laser Attachement des O2- Moins d'électrons 1 µs Température diminue Moins d'effet Joule Pas de décharge ! Évolution du plasma 2ème impulsion énergie modérée Avec 2ème laser Photodétachement des O2- Plus d'électrons Décharge ! Température augmente Effet Joule Conclusion • Contrôle de décharges sur quelques mètres • Un effet même sous la pluie •Un second laser pour entretenir le plasma • Extrapoler à la foudre ? • Mécanisme de décharge : traceur • Durée de vie du plasma • Impulsions multiples… Conclusion •Propagation non-linéaire d’impulsions fs-TW : filamentation • Contrôle et optimisation possible •Propagation en conditions difficiles (pluie, pression, turbulence…) •Contrôle de décharges… Mais aussi… •Mesures Lidar multiparamètres •Télédétection d'aérosols biologiques •Analyse à distance d'échantillons solides (R-FIBS) J. Kasparian et al., Science 301, 61 (2003) Perspectives • Très hautes énergies / puissances • Plus de filaments ! • Plus longs ? Plus intenses ? • Efficacité de la lumière blanche ! • Sécurité oculaire : OPCPA à 1,55 µm • 5 ordres de grandeur sur les normes • Sûr dès 2 km d'altitude • Meilleur signal dans l'IR : COVs • Quelle filamentation à 1,55 µm ? Perspectives •Foudre en vraie grandeur • Durée de vie du plasma • Impulsions multiples • Second laser • Technologie laser fs • Pompage diode : compact, fiable : plus mobile, plus facile • "Démocratiser" les fs • Un Téra… vraiment mobile Remerciements TU Berlin : K. Rethmeier… CEA : L. Bergé, S. Champeaux, R. Nuter, S. Skupin… CEAT : C. Davoise… New Mexico Tech : W. Winn, G. Aulich… Ecole Centrale de Lyon : P. Auriol, F. Buret… Téramobile (Lyon, Berlin, Jena, Palaiseau, Genève) : G. Méjean, R. Salamé, R. Ackermann, N. Lascoux, P. Maioli, J. Yu, E. Salmon, D. Mondelain, V. Boutou, F. Courvoisier, J.-P. Wolf, K. Stelmasczyck, P. Rohwetter, R. Bourayou, M. Rodriguez, H. Wille, R. Sauerbrey, L. Wöste, Y.-B. André, B. Prade, G. Méchain, A. Houard, A. Mysyrowicz… Équipes techniques à Berlin, Genève, Jena et Lyon : Marc Néri, Marc Barbaire, Michel Kerleroux, M. Moret F. Ronneberger, W. Ziegler… Financement : ANR, FNS, CNRS, DFG, Ministère des Affaires Étrangères, DAAD Merci !
