Femtosecond filamentation in passive and amplifying transparent media, and study of filamentation as source of secondary radiation.
Filamentation femtoseconde dans les milieux transparents passifs et amplificateurs, et étude de la filamentation comme source de radiation secondaire.
Résumé
The subject of this work is the study of filamentation of femtosecond laser pulses in active and passive transparent media, and the study of the plasma filaments as sources of secondary electromagnetic radiation in the Terahertz and Radiofrequency bands. After a brief overview of filamentation and state of the art in chapters I and II, a new technique (P-scan) is described in chapter III, which provide a useful method to observe and analyze non linear propagation regimes of femtosecond laser pulse in gases. In chapters IV and V the filamentation process in amplifying media in presence of population inversion is described. Evidence of amplification of energy and power in the filament core is obtained, while the multiple filamentation regime is always avoided. It was already known that a plasma filament can radially emit Terahertz radiation. The detailed study of the plasma filament as source of ! terahertz radiation is described in chapters VI, VII and VIII. This study has brought about the discovery of a different generation mechanism of radial terahertz radiation in presence of a static electric field applied along the filament axis, and the discovery of a new kind of Terahertz emission in the absence of applied field, conically emitted in the forward direction with respect to the filament axis. To explain this mechanism, a theoretical model has been developed in collaboration with Prof. Tikhonchuk of Bordeaux 1 University; very good agreement is found between the theoretical model and experimental results. Finally, evidence of dipole-like emission in the radiofrequency range from a laser induced plasma channel is presented in chapter IX.
Ce travail de thèse peut être divisé en deux parties. Dans la première partie on présente une étude de la filamentation d'impulsions laser femtoseconde dans les milieux Kerr transparents passifs et amplificateurs; les résultats principaux de cette partie sont les suivants: mise en place d'une nouvelle technique (P-scan) pour l'étude des différents régimes de propagation non linéaire d'une impulsion femtoseconde dans les gaz (chapitre III), et mise en évidence de la possibilité d'augmenter l'énergie et la puissance transportées par un seul filament, bien au dessus du seuil d'apparition de multi-filaments (chapitres IV et V). Dans la deuxième partie, on étudie le plasma généré par filamentation en tant que source de radiation électromagnétique secondaire, dans les bandes Ter! ahertz et Radiofréquences. L'étude du filament comme source de radiation Terahertz est décrit dans les chapitres VI, VII et VIII ; elle a amené à la découverte d'un nouveau mécanisme d'émission radiale en présence d'un champ électrique statique longitudinal le long de l'axe du filament. Nous avons aussi découvert un nouveau mécanisme d'émission Terahertz en l'absence de champ appliqué; cette fois la radiation est émise vers l'avant dans un cône fermé autour de l'axe de propagation du filament. Le mécanisme d'émission, modélisé en collaboration avec le Prof. Tikhonchuk de l'Université de Bordeaux 1, s'est révélé être en très bon accord avec les observations expérimentales. Enfin, nous avons mis en évidence la possibilité de transformer un canal de plasma produit par la! ser en une antenne dipolaire, qui peut émettre des radiof! réq uences. Ce sujet est décrit dans le chapitre IX.
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