Filamentation laser

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En optique non-linéaire, la filamentation laser est la propagation d'un faisceau laser dans un milieu transparent sans diffraction. Elle est rendue possible par l'effet Kerr optique qui génère une modification de l'indice de réfraction du milieu en présence d'un champ laser intense, résultant en l'auto-focalisation du faisceau[1],[2]. Typiquement, ce régime est obtenu en propageant une impulsion lumineuse délivrée par un laser femtoseconde amplifié.

La filamentation laser dans l'atmosphère a été observée pour la première fois en 1994 par Gérard Mourou et son équipe de l'Université du Michigan [3]. En propageant dans l'air un faisceau laser femtoseconde de puissance térawatt produit par amplification par dérive de fréquence l'équilibre entre l'auto-focalisation par effet Kerr d'une part et  la diffraction, l'ionisation et la dispersion d'autre part, génère des "filaments" qui agissent comme des guides d'ondes, empêchant ainsi le faisceau de diverger. 

Illustration du phénomène de filamentation laser femtoseconde.

La filamentation laser femtoseconde dans les gaz[modifier | modifier le code]

Auto-focalisation[modifier | modifier le code]

Un faisceau laser intense traversant un milieu module l'indice de réfraction du milieu selon[4]

, et  sont respectivement l'indice de réfraction linéaire, l'indice de réfraction de second ordre et l'intensité du champ laser se propageant. L'auto-focalisation se produit lorsque le déphasage dû à l'effet Kerr compense le déphasage liée à la divergence du faisceau. Ainsi, pour un faisceau gaussien ayant traversé une longueur le déphasage lié à la diffraction d'un faisceau vaut

et le déphasage lié à l'effet Kerr vaut

,

où  ,    (longueur de Rayleigh) et est le rayon du faisceau gaussien.

Pour atteindre l'auto-focalisation le déphasage lié à l'effet Kerr doit être au moins égale au déphasage lié à la diffraction. On peut ainsi définir un seuil d'intensité pour l'auto-focalisation

.

En considérant un faisceau gaussien de section    on peut ainsi définir une puissance critique d'auto-focalisation[5]

.

avec

.

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. 

Applications de la filamentation laser dans l'air[modifier | modifier le code]

De nombreuses applications ont été proposées pour la filamentation laser femtoseconde dans l'atmosphère[6].

Les principales sont listées ci-dessous.

  • LIDAR à lumière blanche[7].
  • Contrôle de décharges électriques par laser[8].
  • Paratonnerre laser[9].
  • Génération d'impulsions térahertz[10],[11].
  • Condensation de gouttelettes dans la perspective provoquer artificiellement la pluie [12].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) S.L. Chin et S. A. Hosseini, « The propagation of powerful femtosecond laser pulses in opticalmedia: physics, applications, and new challenges », Laser Physics, vol. 83,‎ , p. 863-905 (DOI 10.1139/p05-048, lire en ligne)
  2. (en) A. Couairon et A. Mysyrowicz, « Femtosecond filamentation in transparent media », Physics Reports, vol. 441, nos 2-4,‎ , p. 47–189 (DOI 10.1016/j.physrep.2006.12.005, lire en ligne)
  3. (en) A. Braun et al., « Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air », Optics Letters, vol. 20, no 1,‎ , p. 73–75 (ISSN 1539-4794, DOI 10.1364/ol.20.000073, lire en ligne)
  4. Robert Boyd, Nonlinear optics, Academic Press (ISBN 978-0-12-369470-6, lire en ligne)
  5. (en) J. H. Marburger, « Self-focusing: Theory », Progress in Quantum Electronics, vol. 4,‎ , p. 35-110
  6. J P Wolf, « Short-pulse lasers for weather control », Reports on Progress in Physics, vol. 81, no 2,‎ (DOI 10.1088/1361-6633/aa8488, lire en ligne)
  7. (en) J. Kasparian et al., « White-Light Filaments for Atmospheric Analysis », Science, vol. 301, no 5629,‎ , p. 61–64 (ISSN 0036-8075, DOI 10.1126/science.1085020, lire en ligne)
  8. (en) B. Forestier et al., « Triggering, guiding and deviation of long air spark discharges with femtosecond laser filament », AIP Advances, vol. 2,‎ , p. 012151 (DOI 10.1063/1.3690961)
  9. (en-US) Xin Miao Zhao, Xin Miao Zhao, J.-C. Diels et Cai Yi Wang, « Femtosecond ultraviolet laser pulse induced lightning discharges in gases », IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 31, no 3,‎ , p. 599–612 (DOI 10.1109/3.364418, lire en ligne)
  10. C. D’Amico, « Conical Forward THz Emission from Femtosecond-Laser-Beam Filamentation in Air », Physical Review Letters, vol. 98, no 23,‎ (DOI 10.1103/physrevlett.98.235002, lire en ligne)
  11. (en-US) Jianming Dai, Jingle Liu et Xi-Cheng Zhang, « Terahertz Wave Air Photonics: Terahertz Wave Generation and Detection With Laser-Induced Gas Plasma », IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 17, no 1,‎ , p. 183–190 (DOI 10.1109/jstqe.2010.2047007, lire en ligne)
  12. Futura, « Des lasers femtosecondes peuvent-ils faire pleuvoir ? », Futura,‎ (lire en ligne)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

Filamentation.org : portail qui répertorie toutes les publications scientifiques liées à la filamentation laser femtoseconde.