Propagation non-lineaire des impulsions laser femtosecondes dans la silice

Régime intermédiaire

Les intensités auxquelles seront soumis les milieux solides transparents lors de nos expériences sont comprises entre 10¹² W/cm² et 10¹⁵ W/cm² en fonction de la focalisation, de l’énergie et de la durée des impulsions. Les intensités utilisées se trouvent dans la plage du régime d’ionisation intermédiaire entre l’effet multiphotonique et l’ionisation par effet tunnel. Il est donc nécessaire d’introduire une forme généralisée de la probabilité d’ionisation valable pour toute intensité.

Interactions onde-plasma

Nous venons de voir qu’une onde lumineuse intense transfère des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. La présence d’électrons libres va jouer un rôle important dans la propagation des impulsions laser. Nous allons examiner maintenant les propriétés optiques d’une onde en présence d’un plasma d’électrons libres.

Nous nous plaçons dans le cadre du modèle de Drude en assimilant le plasma a un gaz d’électrons libres non dégénérés. Ce paragraphe va introduire l’indice complexe du plasma. Ses parties réelles et imaginaires décriront le comportement géométrique et l’atténuation d’une onde optique traversant le plasma.

Filamentation laser

La propagation non-linéaire dans un milieu fait donc intervenir l’effet Kerr optique et l’ionisation du milieu qui jouent deux rôles opposés. De façon simplifiée, on peut dire que si ces deux effets se contrebalancent, ils peuvent conduire à une propagation d’impulsions laser avec de hautes intensités sur de longues distances. Ce régime de propagation est appelé filamentation laser. De nombreuses études ont été menées sur la formation et la caractérisation de ces filaments femtosecondes dans l’air depuis 1995 [9- 13]. Cependant, ce régime a été très peu observé et caractérisé dans un solide. Seule une courte communication [14] et une brève mention dans la silice fondue [15] ont été publiées avant notre article qui montre une étude détaillée de la propagation filamentée d’impulsions laser femtosecondes dans la silice [16].

Développement de l’équation d’évolution du champ électrique

Les effets non-linéaires tels que l’effet Kerr optique et la photoionisation viennent d’être décrits de façon indépendante. Tous ces phénomènes vont apparaître en développant l’équation d’Helmholtz (1.13). Les comportements physiques de l’onde et les phénomènes qui en découlent seront présents sous la forme de différents termes dans l’équation de propagation du champ électrique. Les intensités avec lesquelles nous travaillons provoquent une ionisation du milieu. Nous allons donc être amenés à considérer des diélectriques dans lesquels peuvent exister des courants et pour lesquels la constante diélectrique et donc l’indice de réfraction varie dans l’espace et le temps. Ces effets vont apparaître comme des termes supplémentaires dans l’équation d’Helmholtz.

Expériences de propagation longue distance sans endommagement

Le laser

La chaîne laser produisant les impulsions laser utilisée pour cette étude est constituée de trois cavités laser en série. Le premier laser est un laser continu à Argon. C’est un laser dit de pompage. Il émet en continu un faisceau laser multi-raies. Il excite les deux barreaux de saphir dopé au titane (Al2O3: Ti) des deux cavités laser femtosecondes qui suivent. La première cavité appelée MirA est de marque Coherent. Elle produit des impulsions de 160 fs à 800 nm et avec un taux de répétition de 76 MHz. Cette cavité est l’oscillateur femtoseconde. Les impulsions qu’il produit sont faiblement énergétiques (10 nJ). Avec une fréquence réglable de 50 à 250 kHz, une impulsion est introduite dans la deuxième cavité laser femtoseconde appelée amplificateur régénératif. Il s’agit d’un RegA de marque Coherent. Les impulsions y sont amplifiées par de multiples passages à travers le barreau de Ti:Saphir. Les impulsions laser produites en bout de chaîne ont une longueur d’onde centrale de 800 nm. La largeur à mi-hauteur du spectre est de l’ordre de 8 à 10 nm. Les impulsions de 4 µJ sont produites avec un taux de répétition réglable de 50 à 250 kHz et avec une durée à mi-hauteur de 160 femtosecondes.

Le montage expérimental

Les impulsions laser femtosecondes produites par la chaîne laser sont focalisées par une lentille simple. Le foyer de la lentille est positionné au voisinage de la face d’entrée de l’échantillon dans lequel nous voulons étudier la propagation des impulsions. L’échantillon peut être déplacé le long de l’axe laser z ainsi que dans le plan (xy) perpendiculaire grâce à trois moteurs pas-à-pas. Ces trois moteurs peuvent être contrôlés manuellement ou par l’intermédiaire d’un ordinateur et d’un programme réalisé avec le logiciel Labview de National Instruments. Les impulsions ont été étudiées spatialement, temporellement et spectralement le long de leur propagation dans l’échantillon solide transparent. Les études spatiales ont été faites en imageant, à l’aide d’un objectif de microscope (x25), le faisceau laser sur le détecteur d’une caméra infrarouge linéaire CCD. Pour caractériser temporellement les impulsions le long de leur propagation nous avons utilisé un autocorrélateur. Le spectre des impulsions a été enregistré grâce à un spectrophotomètre à fibre optique.

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Table des matières

Introduction
Chapitre 1 INTRODUCTION AUX PRINCIPES DE BASE
1.1. Principes de base de la propagation de la lumière
1.1.1. Les équations de propagation d’une onde lumineuse
1.1.2. L’effet Kerr optique
1.2. L’ionisation en champ intense
1.2.1. La transition multiphotonique
1.2.2. L’effet tunnel
1.2.3. Régime intermédiaire
1.2.4. Interactions onde-plasma
1.2.5. Filamentation laser
1.3. Développement de l’équation d’évolution du champ électrique
1.3.1. Cas des impulsions laser
1.3.2. Etude du second membre
1.3.3. Introduction d’un terme d’absorption photonique
1.3.4. Equation finale de l’évolution de l’enveloppe du champ électrique
Chapitre 2 ETUDE DE LA PROPAGATION DES IMPULSIONS DANS UN REGIME DE FAIBLE FOCALISATION
2.1. Expériences de propagation longue distance à faible focalisation sans dommage
2.1.1. Le laser
2.1.2. Le montage expérimental
2.1.3. Résultats expérimentaux
2.1.3.1. Première observation de la filamentation dans la silice
2.1.3.2. Caractérisation spatiale du filament le long de sa propagation
2.1.3.3. Caractérisation temporelle du filament : autocorrélation de l’impulsion
2.1.3.4. Spectre du filament
2.1.3.5. Polarisation du filament
2.2. Modèle de propagation impulsionnel dans un milieu transparent
2.3. Simulations numériques
2.3.1. Principes des calculs numériques et validité du code de propagation
2.3.2. Conditions initiales des simulations numériques
2.3.3. Résultats numériques de la propagation au niveau spatial 58
2.3.4. Résultats numériques de la propagation dans le domaine temporel
2.3.5. Résultats numériques de la propagation dans le domaine spectral
2.3.6. Intensité lumineuse et densité électronique le long de la propagation ??
2.3.7. Discussion des résultats
2.4. Etudes expérimentales complémentaires sur la propagation
2.4.1. Filamentation en fonction de la position du foyer et de la puissance laser
2.4.2. Changement de milieu de propagation
Chapitre 3 ETUDE DE LA PROPAGATION DES IMPULSIONS DANS UN REGIME DE FORTE FOCALISATION
3.1. Ensemble expérimental
3.2. Autofocalisation par l’effet Kerr optique
3.3. Etude de la transmission mono-impulsionnelle
3.3.1. Etude expérimentale de la transmission
3.3.2. Etude numérique de la transmission
3.4. Etude détaillée des résultats numériques et comparaison avec l’expérience
3.5. Transmission bi-impulsionnelle
3.6. Expériences pompe-sonde en réflexion
Chapitre 4 CARACTERISATIONS DES DOMMAGES
4.1. Seuils de dommage en régime impulsionnel
4.1.1. Comportement pour des impulsions longues
4.1.2. Introduction des impulsions courtes
4.1.3. Déviation à la loi en t1/2
4.1.4. Equation d’évolution de la densité électronique
4.1.5. Etude de la controverse Du/Stuart
4.1.6. Décroissance rapide du plasma
4.1.7. Bilan bibliographique sur le claquage optique en impulsions courtes
4.1.8. Conséquences des interactions sur les dommages induits
4.2. Introduction aux interactions entre les laser femtosecondes et les verres
4.2.1. Filamentation et génération de lumière blanche
4.2.2. Modifications induites dans les verres par des impulsions ultra-courtes
4.3. Expériences d’interaction
4.3.1. Montage expérimental
4.3.2. Schéma de principe optique au niveau de la zone d’interaction
4.3.3. Principe des inscriptions
4.4. Caractérisation des inscriptions
4.4.1. Microscopie optique en lumière polarisée
4.4.2. Comparaison des seuils de dommages avec les courbes de transmission
4.4.3. Etude des seuils de dommage en fonction de la focalisation
4.4.4. Etude de la biréfringence dans un interféromètre de Michelson
4.4.5. Observations en 3D
4.4.5.1. Etude de la biréfringence
4.4.5.2. Microscopie électronique à balayage
4.4.6. Spectroscopie
4.4.7. Interférométrie en lumière blanche ??
4.5. Etudes physiques complémentaires
4.5.1. Seuils d’endommagement et effets thermiques
4.5.2. Etudes des seuils d’endommagement dans une préforme de fibre optique
4.5.3. Etude de l’émission du troisième harmonique
Chapitre 5 UTILISATION DES INTERACTIONS LASER/SILICE FABRICATION D’ELEMENTS OPTIQUES
5.1. Réalisation de réseaux de diffraction en transmission
5.1.1. Réseaux de diffraction biréfringents
5.1.2. Observation d’un effet de saturation
5.1.3. Caractérisation des traits des réseaux par transformée de Fourier inverse
5.1.4. Etude de la diffraction en fonction de la longueur d’onde
5.1.5. Réseaux de diffraction constitué de traits de type I
5.1.6. Stabilité des dommages induits
5.2. Guides d’onde
Perspectives
Conclusion