Propagation d'impulsions femtosecondes térawatts dans l'atmosphère et applications

Propagation of femtosecond terawatt laser in atmosphere and applications

Centre d'Optique Photonique et Laser, Département de physique, Université Laval, Québec, G1K 7PA, Canada.

Résumé

Les impulsions laser ultra-brèves (fs) et ultra-intenses (TW) forment, au cours de leur propagation non-linéaire dans l'atmosphère, des structures auto-guidées, d'une centaine de microns de diamètre, appelées filaments. Ces filaments résultent d'un équilibre dynamique entre l'effet Kerr qui focalise le faisceau et la défocalisation due au plasma généré au sein de ceux-ci. Au cours des différentes études rapportées ici, nous avons mesuré que le spectre de lumière blanche issue de l'automodulation de phase et de la génération de troisième harmonique s'étend de l'ultraviolet (230 nm) à l'infrarouge (4,5 μm). De même, la propagation dans l'air, sous différentes conditions (pluie, brouillard, turbulence), des faisceaux térawatts femtosecondes a été caractérisée afin de développer des applications atmosphériques. Il nous a ainsi été possible de développer le LIDAR à lumière blanche pour réaliser des mesures préliminaires d'ozone et d'aérosols simultanément. De même, grâce à la propagation fortement non-linéaire du faisceau qui permet de transporter des hautes intensités sur de longue distance, nous avons pu détecter et identifier, à distance, des aérosols biologiques et des cibles solides (LIBS) en induisant in situ des effets non-linéaires. Enfin, nous avons montré que le déclenchement et le guidage de décharges de haute tension par une impulsion laser femtoseconde sous la pluie reste possible avec une efficacité comparable à l'atmosphère sèche. D'autre part, une configuration à double impulsion laser augmente l'efficacité de déclenchement des décharges. Ces résultats nous rapproche de la perspective de déclenchement et guidage de foudre par laser.

Abstract

When ultrasshort and high-power laser pulses propagate across the atmosphere, self-guided filaments of 100 μm radius are formed. They result from a balance between Kerr self-focusing and defocusing by the plasma generated by multiphoton ionisation. During this work, we showed that the white light spectrum generated in filament spans from the infrared (4.5 μm) to the ultraviolet (230 nm) thanks to Third Harmonic Generation and self-phase modulation. We charaterized the propagation under different conditions (rain, smog, turbulence) to developp different atmospheric applications. In particular, we demostrated multi-parameters LIDAR for relative humidity as well as atmospheric pollution remote sensing. Furthermore, it is possible to detect and to identify biological aerosols or solid targets (LIBS) at remote distances, by non-linear processes induced in situ by the high intensity delivered by filaments. Moreover, we demonstrated that guiding and triggering high-voltage discharge thanks to a femsecond high-powered pulse is possible even under a rain with an efficiency comparable to that observed in dry air. We also impoved the efficiency of a two pulses configurations (a femtosecond pulse and a subsequent nanosecond pulse). These results raise hope that lightning could be triggered and guided by laser pulses in the future.