Optique non-linéaire et plasma : caractérisation du champ électrique et génération d'ondes Térahertz

Non-linear optics and plasma : Electric field characterization and Terahertz generation

• Auteur / Autrice : Farah Aljammal
• Direction : Gwenaël Gaborit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Pécastaing
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadège Courjal, Lionel Duvillaret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Pécastaing, Christophe Volat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs optoélectroniques

Rayonnement terahertz

Décharges électriques

Micro-jets de plasma

Optique non linéaire

Mots clés libres

Décharges à barrière diélectrique (DBD)

Mesure du champ électrique

Mesure électro-Optique (EO).

Capteur optique.

Génération de térahertz

Jet de plasma d'hélium

Dielectric barrier discharges (DBDs)

Electric field measurement

Electrooptic (EO) measurement

Optical sensor

Terahertz generation

Cold atmospheric plasma jet

Résumé

En raison de la large gamme d'applications des décharges et des plasmas, leurs caractérisations ont reçu un regain d'intérêt ces dernières années. Parmi toutes les caractéristiques pertinentes d'un plasma, la distribution spatio-temporelle du champ électrique (E) qui leur est associé est un sujet d'intérêt majeur et l'un des paramètres critiques à analyser. Ce travail de thèse concerne d'abord la caractérisation vectorielle non invasive du champ électrique associé aux plasmas froids (décharge à barrière diélectrique, jet de plasma à pression atmosphérique, ...). L'autre partie est consacrée à l'interaction non linéaire entre un plasma froid et une onde impulsionnelle optique pour la génération paramétrique d'ondes Térahertz. Dans les deux cas (plasma généré avec une source haute tension et plasma dû à un claquage de l'air), nous avons détecté un champ électrique (de l'ordre du MV/m pour l'analyse du plasma et de quelques V/m pour la génération haute fréquence) soit avec une sonde électro-optique (EO) fibrée, soit en utilisant un banc expérimental en espace libre faisant appel là aussi à une détection EO (développé à l'IMEP-LAHC). Nous avons réalisé une étude polarimétrique complète du champ E généré par des électrodes ponctuelles ou par ionisation d'un gaz comme l'hélium. En particulier, nous nous sommes intéressés au comportement en polarisation des phénomènes observés. Nous avons également étudié la possibilité d'améliorer l'efficacité de génération d'une impulsion teraHertz (THz) par claquage dans l'air en ajoutant un jet de plasma d'hélium. Une étude complète du signal généré (en module et en orientation) a été menée, et les résultats obtenus sont parfaitement décrits par un modèle que nous avons développé. Ce modèle a été validé expérimentalement par une étude polarimétrique de l'impulsion THz en utilisant une détection EO innovante.

Due to the wide range of applications of discharges and plasmas, their characterizations have been receiving a revival of interest these last couple of years. Among all the relevant characteristics of a plasma, the spatial distribution and the temporal evolution its associated electric field (E-field) is a subject of major interest and one of the more critical parameters to be analyzed. Firstly, this thesis work concerns the non-invasive vector characterization of the electric field associated to cold plasmas (dielectric barrier discharge, atmospheric plasma jet, ...). The other part is devoted to the nonlinear interaction between a cold plasma and an optical pulse wave for the parametric generation of Terahertz (THz) waves. In both cases (plasma generated with a high voltage source and plasma due to air breakdown), we have detected an electric field (of the order of MV/m for plasma analysis and of a few V/m for high frequency generation) either with a pigtailed electro-optical probe, or by using an experimental free space EO bench (developped at IMEP-LAHC). We have carried out a complete polarimetric study of the E-field generated by electrodes or by ionization of a gas like helium. In particular, we have been interested in the polarization behavior of the observed phenomena. We also studied the possibility to improve the efficiency of the THz generation by adding a helium plasma jet or the gas alone. We have performed a complete characterization of the generated THz signal (in modulus and orientation). The obtained results are perfectly described by a model that we have developed. This model has been experimentally validated by a polarimetric study of the THz pulse using an innovative EO detection.