laser filamentation

La filamentation induite par laser.

Voici pour moi une des expériences les plus intéressantes et également la plus difficile à réaliser !
Pourquoi ? Parce que produire une filamentation dans un milieu solide, liquide ou gazeux nécessite une intensité laser extrême.
La filamentation est un effet de polarisation non linéaire du 3eme ordre ! La polarisation non linéaire amène a un indice de réfraction qui dépend non linéairement du champ qui se propage

          

donc une variation de l'indice de réfraction en temps et en espace transverse.

En temps c'est la Self Phase Modulation (SPM) qui donne un élargissement spectral.

        

La filamentation produit une continuum de lumière blanche dans l'air (0.25 - 4 microns)

En espace transverse c'est l'auto-focalisation (lentille de KERR)

         

Une des première condition pour obtenir une filamentation est d'avoir un faisceau Gaussien !
La deuxième condition est de trouver un milieu présentant un indice de réfraction non linéaire n2 le plus grand que possible pour avoir une intensité laser la plus petite possible!

Voici un tableau donnant les valeurs n2  des différents milieux.

             

voici quelques valeurs d'intensité laser nécessaire pour obtenir la filamentation selon la formule
        
          

Pour l'air  un laser Ti:Sapphir  800nm         Pcr = 1.9 GW
Pour le verre BK7 laser verre Nd  1063nm   Pcr = 3.3 GW
Pour l'eau   laser  Nd:YAG     1064 nm        Pcr = 3.0 MW

Pour résumé une filamentation dans les gaz nécessite une puissance crête de plus de 2 GW. Pour cela seul des lasers à verre
dopé au néodyme nanoseconde comme celui de la photo ci-dessous peuvent produire de la filamentation après une distance de
3 mètres.



L'autre possibilité est d'utiliser un laser femtoseconde du type COHERENT  Libra de 1mJ en 50 fs (20GW) maleureusement  ce type de laser coût près du millions d'euro donc innacessible !

J'ai donc opté de réaliser des tests de filamentations dans des liquides comme l'eau, le sulfure de carbone etc...
Voici une photo d'une filamentation dans l'eau colorée avec une puissance crête de 20MW en 6ns issu  de mon laser YAG q-switch.

 

TESTS AU DISULFURE DE CARBONE AVEC UN LASER A AZOTE MONOMODE
Voici un test avec du sulfure de carbone CS2. La valeur de l'indice de réfraction non linéaire n2 = 3.10-18 m2W-1et n1= 1.598 ce qui donne Pcr=35,4 kW@1064nm !



Autre posibilité très intéressante pour réaliser de la filamentation avec mon laser à azote MOPALITER MOPA-600 monomode avec 600 kW de sortie! Dans l'UV l'intensité critique est encore plus basse ! Pcr= 3.5 kW !!!!


Calcul de la distance d'autofocalisation Zf

  

Le laser MOPA-600 à un faisceau TEM00 avec 2Winc = 1.2 mm alors la longueur Zf = 1020 mm cela m'oblige de faire une cellule de 1.2 mètre de long. Alors je préfère focalisé à 0.12mm ce qui me donnera un Zf de 10mm.

Voici une simulation par ordinateur d'un filament dans du disulfure de carbone.






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