Caractérisation complète d'un faisceau laser impulsionnel femtoseconde PDF Download
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Une nouvelle approche de caractérisation complète d'un faisceau laser impulsionnel femtoseconde est démontrée en vue d'étudier les couplages spatio-temporels dans la propagation linéaire et non linéaire. La technique basée sur un filtre spectral accordable, une technique de mesure spatiale par décalage, et une technique de mesure temporelle par interférométrie spectrale, a permis de mesurer le couplage spatio-temporel au foyer d'un objectif. Cette technique a été aussi utilisée pour mesurer les couplages spatio-temporels induits par un échantillon non linéaire du troisième ordre.
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Une nouvelle approche de caractérisation complète d'un faisceau laser impulsionnel femtoseconde est démontrée en vue d'étudier les couplages spatio-temporels dans la propagation linéaire et non linéaire. La technique basée sur un filtre spectral accordable, une technique de mesure spatiale par décalage, et une technique de mesure temporelle par interférométrie spectrale, a permis de mesurer le couplage spatio-temporel au foyer d'un objectif. Cette technique a été aussi utilisée pour mesurer les couplages spatio-temporels induits par un échantillon non linéaire du troisième ordre.
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Lors de l'interaction relativiste entre une impulsion laser brève et intense et un plasma sous-dense, des électrons peuvent être injectés et accélérés jusqu'à plusieurs centaines de MeV dans une structure accélératrice se formant dans le sillage de l'impulsion laser : c'est l'accélérateur laser-plasma. Une des applications majeures de ces accélérateurs réside dans le développement de sources compactes de faisceaux de rayonnement X femtoseconde. Au cours de cette thèse, deux sources de rayonnement X ont été étudiées et développées. Le rayonnement bétatron, intrinsèque à l'accélérateur laser-plasma, provient des oscillations transverses des électrons au cours de leur accélération. Sa caractérisation par comptage de photons a montré que le faisceau X contenait un total de 10^9 photons, avec des énergies pouvant être supérieures à 10 keV. Nous avons également développé une source Compton tout optique produisant des photons de quelques centaines de keV, basée sur la collision entre un faisceau de photons et un faisceau d'électrons. Le potentiel de ces sources de rayonnement a été mis en évidence en réalisant l'imagerie par contraste de phase mono-coup d'un échantillon biologique. Nous avons ensuite montré que l'émission X bétatron est un outil expérimental très puissant pour étudier la physique sous-jacente à l'accélération laser-plasma. On peut tout d'abord réaliser la cartographie de la région d'émission, ce qui donne des informations inédites, permettant par exemple de localiser l'endroit où sont injectés les électrons. Les propriétés angulaires et spectrales du rayonnement X permettent également d'avoir des informations sur la dynamique transverse des électrons au cours de leur accélération
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LA PROPAGATION D'UNE IMPULSION LASER FEMTOSECONDE INTENSE, AU TRAVERS D'UN GAZ PERMET DE PRODUIRE, TRES RAPIDEMENT, UN PLASMA COMPOSE D'ELECTRONS ET D'IONS POSITIFS MULTICHARGES. L'IONISATION EST PRINCIPALEMENT LE RESULTAT DE L'INTERACTION ENTRE LES PHOTONS LASER ET LES ATOMES DE GAZ, ET SE PRODUIT PAR EFFET MULTIPHOTONIQUE OU PAR EFFET TUNNEL SUIVANT L'INTENSITE LASER MISE EN JEU. A DES INTENSITES DE L'ORDRE DE 10#1#6 W/CM#2 L'IONISATION D'UN GAZ, PRODUIT PAR UNE IMPULSION LASER FEMTOSECONDE INTENSE, CONDUIT A UNE DEFOCALISATION ET A UNE MODIFICATION DU SPECTRE DE CETTE IMPULSION AU COURS DE SA PROPAGATION. CECI RESULTE DE LA FORTE DYNAMIQUE D'IONISATION QUI PREND PLACE AU COURS DE LA MONTEE DE L'IMPULSION LASER. L'UTILISATION DE JETS SUPERSONIQUES PRESENTANT DE FORT GRADIENTS EN BORD NOUS A PERMIS DE MONTRER QUE LA DEFOCALISATION PEUT ETRE NOTABLEMENT REDUITE, PERMETTANT AINSI D'ATTEINDRE DES ETATS D'IONISATION IMPORTANTS. NOUS AVONS PAR AILLEURS CARACTERISE LE FRONT D'IONISATION PAR L'ETUDE DU DECALAGE D'UNE IMPULSION LASER SONDE TRANSMISE DANS LE PLASMA. CE DECALAGE SPECTRAL EST ASSOCIE A DEUX EFFETS : DYNAMIQUE D'IONISATION DU FRONT ET VARIATION RAPIDE DE L'INDICE DU A LA PROPAGATION DU FRONT A UNE VITESSE PROCHE DE LA VITESSE DE LA LUMIERE. NOUS AVONS MESURE POUR LA PREMIERE FOIS, LA DERIVE EN FREQUENCE D'UNE IMPULSION LASER ULTRA-COURTE PAR COLLISION AVEC UN FRONT D'IONISATION RELATIVISTE DANS DEUX DIRECTIONS ET NOUS AVONS MONTRE CLAIREMENT LA POSSIBILITE D'ACCELERER DES PHOTONS A L'AIDE D'UN FRONT D'IONISATION RELATIVISTE. POUR UNE IMPULSION D'INTENSITE EGALE OU SUPERIEURE A 10#1#8 W/CM#2 LES EFFETS RELATIVISTES ET NON LINEAIRES CONTRIBUENT A UNE AUTOFOCALISATION ET AUTOGUIDAGE DE L'IMPULSION LASER. POUR UNE INTENSITE DE L'ORDRE DE 5 10#1#8 W/CM#2 ON OBSERVE UNE FILAMENTATION DU FAISCEAU EN TROIS CANAUX. LES CONDITIONS D'OBTENTION DE L'AUTOFOCALISATION RELATIVISTE SONT TRES DEPENDANTES DES CONDITIONS DE FOCALISATION DANS LE JET.
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Les lasers femtoseconde amplifiés permettent grâce à leur très grande puissance d'étudier de nouveaux phénomènes physiques tels que la filamentation laser, le faisceau laser se propagent alors sur de grandes distances tout en maintenant une intensité crête élevée. Un filament laser résulte d'une compétition dynamique entre l'effet Kerr (qui focalise le faisceau) et la défocalisation due au plasma généré par l'impulsion laser. Dans ce travail de thèse la filamentation d'un faisceau laser femtoseconde IR a été étudiée aussi bien en terme de processus non-linéaire, que du point de vue d'une source de rayonnements secondaires à grande distance. Lors d'une propagation sur très grande distance (kilomètre) la formation de plusieurs filaments est inévitable. L'interaction entre deux filaments a donc été étudiée méthodiquement dans un premier temps, ainsi que l'effet de cette interaction sur les rayonnements secondaires générés par filamentation. Puis la génération de continuum de lumière blanche et d'émission conique par filamentation laser et la possibilité de générer un continuum de lumière blanche à grande distance ont été étudiées. Finalement, une étude en plein air permettant une propagation sur 2 km a été réalisée. Nous avons démontré qu'il était possible d'obtenir de la filamentation jusqu'à une distance de 1 km avec un laser femtoseconde de 200 mJ se propageant horizontalement à l'air libre. Il s'agit, à ce jour, du record mondial en matière de filamentation laser à longue distance
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LE CHOC LASER EST UN PROCEDE DE TRAITEMENT DE SURFACE DESTINE A AMELIORER LES PROPRIETES MECANIQUES DE PIECES METALLIQUES, EN PARTICULIER LA RESISTANCE A LA FATIGUE. IL CONSISTE A FOCALISER LE FAISCEAU D'UN LASER IMPULSIONNEL DE PUISSANCE SUR LA SURFACE DE LA PIECE, DE FACON A ENGENDRER UN PLASMA, CREANT UNE ONDE DE CHOC DANS LE MATERIAU. L'ORDRE DE GRANDEUR DE LA DENSITE DE PUISSANCE EST LE GIGAWATT PAR CENTIMETRE CARRE. LE CONFINEMENT DE LA PIECE METALLIQUE PAR UN MILIEU DIELECTRIQUE TRANSPARENT AU RAYONNEMENT LASER, EMPECHE LE PLASMA DE SE DETENDRE LIBREMENT, CE QUI AUGMENTE LA PRESSION DE L'ONDE DE CHOC. LORSQUE LA DENSITE DE PUISSANCE DEPASSE UN CERTAIN SEUIL, LE MILIEU DIELECTRIQUE CESSE D'ETRE TRANSPARENT, ET ABSORBE L'ENERGIE LASER: IL SE PRODUIT UN CLAQUAGE DU DIELECTRIQUE, CE QUI INDUIT UNE SATURATION DE LA PRESSION DE L'ONDE DE CHOC. LE CLAQUAGE DES MILIEUX DIELECTRIQUES INDUITS PAR LASER IMPULSIONNEL A ETE LARGEMENT ETUDIE AU COURS DES ANNEES SOIXANTE-DIX, ET UNE SYNTHESE DES MECANISMES DE CLAQUAGE EST PRESENTEE. ENSUITE, UN MODELE ANALYTIQUE ET UNE SIMULATION NUMERIQUE ONT ETE DEVELOPPES POUR DECRIRE L'INTERACTION, ET EN PARTICULIER LA PRESSION DE L'ONDE DE CHOC. DES MESURES DE PRESSION DANS DES CONFIGURATIONS VARIEES, DE TRANSMISSION DES MILIEUX DIELECTRIQUES, DE TEMPERATURE DE PLASMAS, ET DES VISUALISATIONS DE L'INTERACTION ONT ETE EFFECTUEES. LE MODELE ANALYTIQUE, SIMPLE, DONNE D'EXCELLENTS RESULTATS ET MONTRE QUE LA PRESSION MAXIMALE EST PROPORTIONNELLE A LA RACINE CARREE DE LA DENSITE DE PUISSANCE. L'ETUDE DU CLAQUAGE FAIT APPARAITRE LE GRAND INTERET DE L'UTILISATION D'UNE IMPULSION LASER AYANT UN FRONT DE MONTEE BREF, DE L'ORDRE DE TROIS NANOSECONDES
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L'utilisation d'impulsions ultrabrèves pour l'usinage laser permet une grande précision du dépôt d'énergie grâce à un fort confinement de l'interaction laser-matière. Les effets non-linéaires liés à ce confinement sont aussi usuellement responsables de distorsions et d'instabilités dans le profil d'intensité lors de la propagation. Les faisceaux de Bessel à hauts angles coniques ont démontré être très performants pour l'usinage des diélectriques grâce à leur robustesse aux effets non-linéaires. En régime femtoseconde, ils permettent alors de générer dans les milieux transparents des nanocanaux à haut rapport de forme par tirs uniques dans les milieux transparents. Cependant la dynamique d'ablation et le couplage de l'impulsion avec le plasma induit sont encore peu compris dans ce cadre, et le modèle courant les décrivant reste incompatible avec les observations expérimentales. Cette thèse a pour objectif d'étudier cette interaction et se divise en deux axes de travail. Le premier axe porte sur la caractérisation de l'interaction laser-matière dans les milieux transparents pour le cas des faisceaux de Bessel femtoseconde grâce au développement et à l'exploitation d'une expérience pompe-sonde interférométrique. Nous mesurons la dynamique du plasma via les modifications d'indice de réfraction qu'il induit, résolues dans le temps et l'espace. Les résultats préliminaires obtenus montrent que le plasma est confiné dans un rayon inférieur à un micron et que la densité du plasma approche de la densité critique pour une énergie proche du seuil de formation de nanocanaux. Dans un second axe, nous travaillons sur l'effet d'un alignement de nanocanaux sur la fracture d'échantillons de verre et les applications des faisceaux de Bessel pour le clivage du verre. Nous levons ici deux limites principales concernant la qualité de fracture, en optimisant le profil spatial du faisceau. Nous montrons que l'utilisation de faisceaux de Bessel elliptiques améliore considérablement la qualité de clivage pour les plaques de verre minces (150 μm), et nous établissons une preuve de principe de clivage du verre de grande épaisseur (10 mm) en un seul passage sous le laser grâce à l'utilisation d'un dispositif composé de 3 axicons.
Author: Nicolas Sanner Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 227
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Ce travail de thèse porte sur la mise en forme spatiale de faisceau laser à impulsions ultra-brèves pour l'optimisation des interactions laser-matière. La première partie de ce mémoire expose la conception et la réalisation d'un système d'optique adaptative permettant la mise en forme spatiale de faisceau au point focal d'une lentille. Ce dispositif original est basé sur un modulateur de front d'onde à cristaux liquides, utilisé comme lame de phase programmable de haute résolution.. Une correction fine des aberrations du faisceau est démontrée, de manière à obtenir une surface d'onde quasi-plane en temps réel, et donc un point focal limité par diffraction. Puis, par modulation contrôlée de la phase spatiale, une mise en forme programmable de tache focale est réalisée, suivant une forme de faisceau arbitraire définie par l'utilisateur. Une variété de motifs de grande qualité a été obtenue au point focal d'une lentille sur des dimensions réduites (70 μm) : top-hat, carré, anneau, triangle, rectangle. Dans la seconde partie, ce dispositif est mis à profit pour l'interaction laser-matière femtoseconde , où le matériau est modifié essentiellement dans la zone irradiée : micro-usinage en surface (métaux) et micro-structuration en volume (diélectriques transparents). La mise en forme de faisceau rend accessible l'usinage direct de formes complexes, tandis que la correction de front d'onde permet la photoinscription contrôlée de guides d'ondes via la modification locale d'indice de réfraction. Un gain appréciable de qualité, de précision et de contrôle est démontré, permettant à la fois l'optimisation et l'extension des procédés applicatifs des lasers en régime femtoseconde
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CETTE THESE APPORTE DES CONTRIBUTIONS A LA MESURE ET AU CONTROLE DES IMPULSIONS FEMTOSECONDE. UNE ETUDE APPROFONDIE DE L'INTERFEROMETRIE SPECTRALE, TECHNIQUE RELATIVEMENT ANCIENNE QUE LES UTILISATEURS D'IMPULSIONS COURTES APPLIQUENT MAINTENANT A DES APPLICATIONS SPECIFIQUES, A ETE EFFECTUEE. EN PARTICULIER, PLUSIEURS POINTS IMPORTANTS SONT TRAITES QUANT A L'IMPLEMENTATION EXPERIMENTALE DE CETTE TECHNIQUE. LA TECHNIQUE DE CARACTERISATION COMPLETE D'IMPULSIONS COURTES SPECTRAL PHASE INTERFEROMETRY FOR DIRECT ELECTRIC-FIELD RECONSTRUCTION (SPIDER) A ETE UTILISEE. CETTE TECHNIQUE, TRANSPOSITION AUX FREQUENCES OPTIQUES DES TECHNIQUES D'INTERFEROMETRIE A DECALAGE, PERMET UNE INVERSION ALGEBRIQUE DES DONNEES EXPERIMENTALES. C'EST LA PREMIERE REALISATION D'UNE MESURE MONO-COUP TEMPS REEL D'IMPULSIONS COURTES BASEE SUR CE CONCEPT. UNE MODIFICATION DU MONTAGE A PERMIS LA PREMIERE MESURE MONO-COUP TEMPS REEL D'UNE IMPULSION COURTE AVEC UN DETECTEUR MONODIMENSIONNEL INTEGRATEUR ET UNE INVERSION ALGEBRIQUE DES DONNEES EXPERIMENTALES. LA POSSIBILITE D'UTILISER UN MODULATEUR OPTIQUEMENT ADRESSE DANS LE PLAN DE FOURIER D'UNE LIGNE A DISPERSION NULLE POUR LA MODULATION DE PHASE SPECTRALE D'IMPULSIONS LASER COURTES A ETE DEMONTREE EN COLLABORATION AVEC LE LABORATOIRE CENTRAL DE RECHERCHE DE THOMSON CSF. IL A ETE MONTRE QUE CE DISPOSITIF PERMETTAIT UN BON CONTROLE DE LA PHASE SPECTRALE INTRODUITE AVEC UNE BONNE RESOLUTION. C'EST DONC UN OUTIL BIEN ADAPTE, TANT POUR LA CORRECTION DE LA PHASE RESIDUELLE EN SORTIE DES CHAINES D'AMPLIFICATION A DERIVE DE FREQUENCE QUE POUR LA SYNTHESE DE PROFILS TEMPORELS PARTICULIERS ADAPTES A L'EXPERIENCE.
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MONTAGE D'UN OSCILLATEUR LASER A MODES BLOQUES PAR COLLISION D'IMPULSIONS. LA CONFIGURATION EN ANNEAU DE CE TYPE DE LASER PERMET LA PROPAGATION EN SENS INVERSE DE DEUX IMPULSIONS QUI SE SYNCHRONISENT AUTOMATIQUEMENT DANS UN JET D'ABSORBANT SATURABLE. CETTE COLLISION D'IMPULSIONS DANS LE MILIEU CREE UN RESEAU D'ABSORPTION TRANSITOIRE QUI ASSURE LA SYNCHRONISATION PASSIVE DES MODES INDISPENSABLES A L'OBTENTION D'IMPULSIONS DE DUREES A L'ECHELLE DE LA CENTAINE DE FEMTOSECONDES. COMPTE TENU QU'IL N'EST PAS POSSIBLE DE MESURER DES DUREES INFERIEURES A QUELQUES PICOSECONDES PAR DES MOYENS PUREMENT ELECTRONIQUES, NOUS AVONS FAIT UNE CARACTERISATION DES IMPULSIONS PAR LA TECHNIQUE D'AUTOCORRELATION EN VUE D'OPTIMISER AU MIEUX LA CAVITE LASER. AFIN D'EVITER LES ERREURS DE MESURE DE DUREE DUES AUX EFFETS DISPERSIFS, NOUS AVONS ETUDIE LES REGLES DE SELECTION DE LA GENERATION DE SECONDE HARMONIQUE EN SURFACE DANS GAAS A L'ECHELLE DE LA FEMTOSECONDE EN VUE D'APPLICATION A DES FINS DE MESURE. LES IMPULSIONS OBTENUES SONT EXTREMEMENT COURTES MAIS PEU ENERGETIQUES, NOUS AVONS DEVELOPPE UN AMPLIFICATEUR ORIGINAL BASE SUR UNE TECHNIQUE DE JET DE COLORANT. CE SYSTEME A MULTIPASSAGE PERMET D'UTILISER AU MIEUX LE GAIN DU MILIEU AMPLIFICATEUR TOUT EN GARDANT LES MEMES CARACTERISTIQUES DE DUREE DES IMPULSIONS
Author: Sylvain Rivet
Author: Sylvain Rivet
Author: Sébastien Corde
Author: FREDERIC.. BLASCO
Author: Magali Durand
Author: Jean-Philippe Bérubé
Author: DAVID.. DEVAUX
Author: Rémi Meyer
Author: Nicolas Sanner
Author: Christophe Dorrer
Author: Omar Seddiki