Energy deposition in air from femtosecond laser filamentation for the control of high voltage spark discharges
Dépôt d’énergie dans l’air par filamentation laser femtoseconde pour le contrôle des décharges électriques haute-tension
Résumé
Laser filamentation is a spectacular optical propagation regime appearing for pulses of which peak power exceeds a few GW in air. Filament forms due to the optical Kerr effect, which tends to self-focus the beam until intensity reaches the medium ionization threshold by multiphoton absorption. A complex dynamic competition is then established between the Kerr effect on the one hand, and diffraction, nonlinear absorption and plasma defocusing effect on the other hand. This results in a reorganization of the beam profile, characterized by a thin (100 µm) and intense
(10^18 W/m²) core able to propagate over a distance much longer than the Rayleigh length. When the initial pulse peak power largely exceeds filamentation threshold, several co-propagating filaments are formed in the same beam, with each of these multifilaments sharing physical properties of isolated single filaments. While propagating in air, filaments transfer a portion of the laser energy to the medium, mainly through Raman rotational excitation of air molecules, ionization and inverse Bremsstrahlung in the plasma. This energy is redistributed in one nanosecond
and almost entirely converted into air molecule translational energy, that is heat. The medium reacts to this rapid heating by launching a cylindrical pressure wave that brings the system back to pressure equilibrium by ejecting matter from the center. This results in the formation of a hot underdense air channel, which slowly resorbs by diffusion at timescales > 1 ms. My work as a Ph. D. student first focused on the study and the optimization of laser energy deposition in air by filamentation. Thus, I investigated the influence of laser parameters such as pulse energy,
focusing strength or pulse duration on deposited energy. To this purpose, I used several complementary diagnostics: study of pressure waves using microphones, characterization of the filamentation plasma by means of spectroscopy and time resolved study of underdense air channels using interferometry. I demonstrated in the single filamentation regime that above a given pulse energy, energy deposition becomes so important that the medium generates a shock wave instead of a sound wave, and that underdense channels can last for more than 100 ms. I also studied and
characterized the high energy multifilamentation regime, showing that moderately focusing the pulse leads to a reorganization of filaments in the focal zone, generating large structures with a resulting plasma ten times denser than filaments. Filamentation-induced hydrodynamic effects lead to a transient reduction of the air breakdown voltage along the path of the laser pulse, enabling one to trigger and guide electric discharges. The second part of my thesis focused on the study and the optimization of such guided discharges for the design of a radio-frequency plasma antenna,
contactless high-voltage switches or a laser lightning rod. To this purpose I developed and built an interferometric plasma diagnostic, allowing to measure the lifetime of generated plasmas. I also contributed to the proof of principle for a filament induced plasma antenna emitting RF signal. Finally, I took part to prospective experimental studies for the development of a laser lightning rod.
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.
