Etude de la filamentation d’impulsions laser à haute cadence pour le développement d’un paratonnerre laser

Study of high repetition rate laser filamentation for the development of a laser lightning rod

• Auteur / Autrice : Pierre Walch
• Direction : Aurélien Houard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, laser et plasma
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1741 -....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Chabert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Houard, Stelios Tzortzakis, Julien Labaune, Jean-Pierre Wolf, Bruno Esmiller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stelios Tzortzakis, Julien Labaune

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions laser-plasma

Optique non linéaire

Filamentation (physique)

Mots clés libres

Laser ultrabref

Filamentation

Optique non-Linéaire

Foudre

Décharge

Plasma

Nonlinear optics

Lightning

Discharge

Ultrashort laser

Plasma

Filamentation

Résumé

Mes travaux de thèse ont porté sur l’étude de la filamentation laser à haute cadence pour le développement d’un paratonnerre laser. Quand une impulsion laser intense de durée femtoseconde se propage dans un gaz, elle donne lieu à la filamentation, un processus spectaculaire où une partie de l’énergie du faisceau se contracte pour former un long canal dans lequel l’intensité est maintenue à ~10^13 W/cm2. Ce régime de propagation autoguidée s’accompagne de la formation d’une colonne de plasma dans le sillage de l’impulsion laser. Il a été montré récemment que cette colonne de plasma évoluait pour former un canal de gaz chaud sous-dense de longue durée de vie. Ce canal sous-dense permet d’envisager des applications telles que le guidage de décharges électriques, le contrôle d’écoulements hydrodynamiques sur des engins supersoniques ou le guidage de faisceaux laser énergétiques.Plus particulièrement, la filamentation à haute cadence (supérieure à 100 Hz) permet à chaque impulsion laser de créer un canal sous-dense alors que celui créé précédemment est toujours présent, résultant en un effet d’accumulation. Cet effet d’accumulation se présente sous la forme d’un canal sous-dense plus important et permanent. Par une série d’expériences et par le développement d’un modèle théorique, j’ai démontré les conditions de mise en place de cet effet d’accumulation ainsi que sa capacité à améliorer le guidage des décharges électriques.J’ai aussi étudié le guidage à haute cadence de décharges électriques successives dans le but de réaliser une colonne de plasma rectiligne conductrice quasi-continue. Ce travail visait à développer une antenne plasma émettrice dans la gamme RF. Nous avons mis en évidence que les perturbations thermiques liées à l’enchainement des décharges empêchaient l’effet de guidage du canal sous-dense à 10 Hz et j’ai développé un modèle théorique pour expliquer ce phénomène. Une solution consistant en la mise en place d’un flux d’air nous a permis d’annuler cet effet.Par ailleurs, je me suis intéressé au régime dit de superfilamentation, montrant que ces filaments plus intenses engendraient de plus importants canaux sous-denses. J’ai étudié les conditions d’apparition de ces superfilaments ainsi que leur capacité à améliorer le guidage de décharges électriques.Dans le cadre du projet européen Laser Lightning Rod visant à développer un paratonnerre laser, j’ai participé à deux importantes campagnes expérimentales en partenariat avec l’Université de Génève, l’EPFL, l’HES-SO, Ariane group et la société Trumpf Scientific laser. La première portait sur la caractérisation de la filamentation à longue distance du laser kW développé par Trumpf lors de ce projet. La répartition spatiale des filaments ainsi que leur capacité à guider des décharges ont été étudiés sur une zone de 140 m en fonction des régimes de focalisation du laser. La seconde campagne, réalisée au sommet du mont Säntis en Suisse pendant tout l’été 2021, visait à démontrer pour la première fois en conditions réelles la capacité des filaments laser haute-cadence à déclencher et guider des éclairs ascendants. 16 éclairs ont été mesurés lors de cette campagne dont 4 en présence de filaments laser. En se basant sur la caractérisation de la propagation par interférométrie VHF ainsi que sur les vidéos prises par deux caméras ultra-rapides, nous avons ainsi démontré pour la première fois, un effet de guidage de la foudre par le laser sur une distance de 60 m. Une étude de la polarité des éclairs et de leur émission de rayons X a aussi mis en évidence un effet significatif lié à l’interaction de la foudre avec les filaments laser.

This thesis reports the study of high repetition rate laser filamentation for the development of a laser lightning rod. When an intense femtosecond laser pulse propagates in a gas, a spectacular process called filamentation occurs, where part of the beam contracts to form a long channel in which the laser intensity is maintained at ~10^13 W/cm2. This self-guided propagation regime is accompanied by the formation of a plasma column in the wake of the laser pulse. It has been demonstrated recently that filamentation in air can lead to the formation of a long-lived, under-dense air channel. This under-dense channel enables applications such as the guiding of electric discharges, the control of hydrodynamic flows on supersonic objects or the optical guiding of high energy laser beams.Filamentation at high repetition rate (higher than 100 Hz) allows each laser pulse to create an under-dense channel, while the previously created one is still present, resulting in a cumulative effect. This cumulative effect produces a more important under-dense channel, constant over time. Through a series of experiments and the development of theoretical models, I have determined the conditions to obtain this cumulative effect and its ability to improve the guiding of electric discharges.In a second project, where the goal was to maintain a permanent conductive plasma column that could be used as an emitting RF antenna, I have studied the guiding of successive electric discharges at high repetition rate. We observed that the thermal disturbances related to the succession of discharges could prevent the guiding effect of the under-dense channel at 10 Hz and a theoretical model has been developed to explain this phenomenon. A solution consisting in the generation of an air flow has been demonstrated to cancel this effect.I also studied the so-called superfilamentation regime, showing the apparition of denser filaments generating more important under-dense channels. The conditions of apparition of these superfilaments and their ability to improve the guiding of electric discharges have been studied.Finally, in the frame of the European project “Laser Lightning Rod”, aimed at demonstrating the control of lightning with laser, I was strongly involved in two large experimental campaigns in collaboration with University of Geneva, EPFL, HES-SO, Ariane group and company Trumpf Scientific lasers. The first was focused on the characterization of the long-distance filamentation of the kW laser developed by Trumpf during this project. I studied the spatial distribution of the filaments as well as their ability to guide discharges over an area of 140 m for different laser focusing regimes. The second campaign was carried out at the top of Mount Säntis in Switzerland. Its objective was to test the ability of kHz laser filaments to trigger and guide ascending lightnings. 16 lightning flashes were measured during this campaign including 4 in the presence of filaments. Based on the characterization of the propagation of these flashes by VHF interferometry and by two high-speed cameras, we demonstrated for the first time a guiding effect by the laser over a distance of 60 m. Study of the polarity of the lightning flashes and of their X-rays emission also demonstrated a significant effect due to the interaction of the filaments with lightning