Filamentation d'impulsions laser ultrabrèves : physique et applications

Filamentation d’impulsions laser
ultrabrèves : physique et applications
Télédétection et contrôle à distance
Jérôme Kasparian
GAP, Université de Genève
Collaboration Téramobile: Genève, Lyon, Palaiseau, Berlin, Dresden
École d’Aquitaine, octobre 2010

• Le processus de filamentation
• Filamentation en atmosphère hostile
• Déclenchement de décharge HT et de foudre
• Condensation assistée par les filaments
• Conclusion et perspectives
Plan

Profil d’intensité
Propagation autoguidée
d’impulsions laser fs : filamentation
«lentille» de Kerr : n = n 0 + n 2 I(r)
plasma; -n 4I 2 +n 6I 3 -n 8I 4
Filament : Φ = 100 μm, L > 100 m, I = 10 14 W/cm 2 , ρ = 10 15 cm -3
Haute énergie : filamentation multiple
Long canal de plasma, continu

Champ E et intensité (u. a.)
Champ E et intensité (u. a.)
1
0,5
0
-0,5
-1
0,5
0
-0,5
-1
Automodulation de phase
Champ électrique
Intensité
-200
1
-150 -100 -50 0
Temps (fs)
50 100 150 200
Champ électrique
Intensité
-200 -150 -100 -50 0
Temps (fs)
50 100 150 200
Kerr : n = n 0 + n 2 I(x,t)
ω t
()=
dΦ () t
dt
= ω 0 − n 2ω 0
c
Génération de lumière blanche
z
dI() t
dt

Filamentation
et lumière blanche
5 mJ 400 mJ
Émission conique
Θ CE

Interaction aérosol-atmosphère
Turbulence, aérosols
Détruit ? Transmis ?
• Télécommunications
• Télédétection Lidar
• Imagerie, télémétrie
• Déclenchement de foudre

800 nm
100 fs
~ 6 mJ
Interaction des filaments
avec une région turbulente
z
Pistolet à air chaud
Écran

Interaction avec la turbulence
Le filament survit et bouge avec le faisceau

Cn 2 threshold (m -2/3 )
1,E-07
1,E-08
Survie des filaments
10%
50%
90%
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 !
R. Ackermann et al., Opt. Lett. 31, 86 (2006)

Zone turbulente étendue
Turbulent area l = 1.3 m
1,2 m
50 % transmission : C n 2 x L = 4,4 x 10 -10 m 1/3
C n 2 =10 -13 m -2/3 L > 4 km
Turbulence non limitante
R. Salamé et al., Appl. Phys. Lett, 91, 171106 (2007)

La filamentation résiste à la turbulence
• Filaments transmis à travers des turbulences
fortes
• Pas d’effet même à grande distance
• Conservation des propriétés des filaments
• Spectre
• Corrélations spectrales
• THG

Filaments laser ultrabrefs

• Identifier des particules : au-delà
du Lidar linéaire
• Effets non-linéaires dans les
microparticules
• Lidar utilisant la fluorescence à
deux photons
• Grande portée
Détection d'aérosols
biologiques

S.C. Hill et al, FACT, 3, 221 (1999)
Fluorescence
des aérosols biologiques
Triptophane
λ = 540 nm
λ = 266 nm
UV: absorption
de l'ozone !
Laser
180
150
210
120
240
λ = 340 nm
90
Theorie
Experience
270
60
300
30
0
330
V. Boutou, et al., App. Phys. B, 75, 145 (2002)

Laser Titane-Saphire
Performances : 790 nm
350 mJ à 10 Hz
60 fs
5 TW
H. Wille et al., Eur. Phys. J. - A.P., 20, 183 (2002)
J. Kasparian et al., Science 301, 61 (2003)

Riboflavine
λ = 800 nm λ = 540 nm
Télédétection d'aérosols
biologiques
Aérosols naturels (eau) 480 nm
480 nm
560 nm
560 nm

Signal lidar (photons/impulsion)
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
0,1
Le Lidar non-linéaire
voit plus loin
Linéaire (ozone 50 µg/m3)
Linéaire (ozone 100 µg/m3)
Non-linéaire
0 2 4 6 8 10
Distance (km)
G. Méjean et al., Applied Physics B 78, 535 (2004)

Lidar : Conclusion
• Filaments : longue distance, haute intensité
• Propagation en milieu perturbé (pluie, turbulence)
• Aller au-delà de la limite de diffraction
• Mesures Lidar non-linéaire
• Télédétection d'aérosols biologiques
• Analyse à distance d'échantillons solides (R-FIBS)
• Multispectral : multiparamètres

Filaments laser ultrabrefs

Décharge libre

Mécanisme de la décharge

Décharge guidée par laser
M. Rodriguez et al., Opt. Lett. 27, 772 (2002)
J. Kasparian et al., Science 301, 61 (2003)

Mécanisme avec les filaments
Filament : chaud, ionisé : un leader artificiel !

+
- -
-
-
-
Effet couronne
Point haut
La formation d’un éclair
Traceur par bonds
+
-
-
-
-
+
-
-
-
-
- -
Traceur ascendant
-
-
-
-
- -
Arc en retour

Décharges de haute tension
Conclusion
• Contrôle de décharges sur quelques mètres
• Un effet même sous la pluie
• Un second laser pour entretenir le plasma
• Peut-on contrôler la foudre aussi ?
• Durée de vie du plasma
• Il pleut !
• Mécanisme de décharge à grande distance :
leader par bonds

?
-
-
-
-
+
-
Effet couronne
Point Filament haut
Que va faire le laser ?
Traceur par bonds
-
?? ???
- -
- -
-
-
-
-
-
- -
- -
- -
+ Traceur ascendant
Arc en retour
+

Campagne de terrain
Laboratoire Langmuir,
New Mexico Tech
Altitude 3200 m
Hall métallique :
Protection du Téramobile

RF
Principe de la mesure
Champ E ?
Filaments
RF
RF

Fond topographique © USGS
Laboratoire Langmuir
Détecteurs RF (LMA)
Laser et filament
3 orages
2 exploitables
0 éclair déclenché
1km

Orage du 24/09/04
Champ E fort
Impulsions RF synchronisées
avec le laser
Détecteurs RF (LMA)
100 %
0 %
Laser et filament
Impulsions synchronisées :
• Hasard ?
• Déclenchées ?

Analyse statistique
100 %
98 %
Détecteurs RF (LMA)
Laser et filament
Niveau de confiance 1-α
= signification statistique
Impulsions RF déclenchées par le laser ! ☺
Même résultat le 25/09 ☺ ☺
Orage du 24/09/04
Champ E fort J. Kasparian et al., Optics Express 16, 5757 (2008)

Filaments
Effet corona induit par laser !
Champ E Décharge couronne
RF
☺ Une observable à optimiser
pour une prochaine campagne
Effet limité par l’énergie du laser

- Traceur par bonds
-
- -
-
+ Effet couronne
Point Filament haut
L’effet du laser
+
? X
-
- -
- -
-
-
-
-
-
- -
- -
- -
+ Traceur ascendant
Arc en retour
… pas encore !
J. Kasparian et al., Optics Express 16, 5757 (2008)

• Déclenchement de décharges couronnes
• Effet en atmosphère réelle
• Mesurer le champ E à distance
• Pour des «vrais» éclairs
Déclenchement de foudre
Conclusion
• Plus de plasma : énergie, longueur d’onde
• Augmenter la durée de vie : trains d’impulsions
• Un orage, ce n’est pas que la foudre…
J. Kasparian et al., Optics Express 16, 5757 (2008)

L’eau, enjeu clé pour l’humanité

Pour condenser…
• Humidité
• 100% = équilibre eau-vapeur
• Gouttes : tension superficielle !
• Surface: « noyau de nucléation »
• Pollen
• Sable
• Sel
• …

Noyaux de condensation
• AgI
• Organiques
• Sels : NaCl, KCl…
• …
Ensemencer les nuages
Office chinois de modification du temps
• 37 000 employés
• 7000 lanceurs de fusées
Efficace ?
Propre ?

Alternative : charges électriques
Rayons cosmiques
• 50 ions / cm
• Noyaux de condensation : chambre de Wilson
• Impact macroscopique sur les nuages ?
Filaments laser
• 10 15 électrons/cm 3
• Noyaux de condensation ??

Téramobile:
filaments
Chambre à nuages
Chauffage+H 2 O
T
Refroidissement
Laser d’illumination
& MALVERN SIZER

Condensation assistée par laser
L’impulsion laser déclenche la nucléation de gouttes

Condensation assistée par laser

Temps (s)
Diamètre (μm)
Après l’impulsion laser…
Croissance
HR = 230 % T = -24°C
Laser
Les gouttes continuent à croître après l’impulsion laser
P. Rohwetter et al., Nature Photonics 4, 451 (2010)
Temps (s)

HR ~ 90 %
T = 2,5°C
P. Rohwetter et al., Nature Photonics 4, 451 (2010)
En atmosphère réelle
Effet du laser

Y. Petit et al., APL 97, 021108 (2010)
Retour au labo
Mesure des gaz traces

Concentrations très élevées
Nucleation binaire H 2 0 - HNO 3 en atmosphère non saturée
Y. Petit et al., APL 97, 021108 (2010)
Mesure d’Ozone, NO, NO 2

Stabilité des gouttes
Tension de surface Stabilisation par
autoprotolyse
Diamètre : courbure
de l’interface
Stabilisation par
l’affinité HNO 3 - H 2 O
Volume

Relative humidity
Stabilité des gouttes
J. H. Seinfeld, Atmospheric chemistry and physics, Wiley, 2006
Stabilisation chimique

Condensation assistée
Conclusion
• Déclenchement de la condensation
• En atmosphère saturée et sous-saturée
• Les gouttes continuent à croître
• Mesurer l’humidité
• Mécanisme : charge, photochimie…
• Faire tomber la pluie : plus d’énergie pour un effet
macroscopique…

Conclusion
• Impulsions fs : filaments autoguidés
• Robustes
• Télédétection dans l’atmosphère
• Déclencher des précurseurs de foudre
• Déclencher la condensation de nuages
• Vers des effets macroscopiques…

Perspectives
• Très hautes énergies / puissances
• Plus de filaments : balayer un plus grand
volume d’air
• Plasma plus dense, plus long
• Prochaine étape : Téramobile2, 3 J
• Sécurité oculaire : OPCPA à 1,55μm
• 5 ordres de grandeur sur les normes
• Sûr dès 2km d'altitude
• Meilleur signal dans l'IR : COVs
• Quelle filamentation à 1,55μm?
• Technologie laser : mobilité, fiabilité