Ultrafast imaging of Bessel beam generated nano-plasmas within dielectrics

par Mostafa Hassan

Thèse de doctorat en Optique et photonique

Sous la direction de François Courvoisier.

Soutenue le 19-12-2022

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (1971-....) (Etablissement de préparation) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST (laboratoire) .

Le président du jury était Maxime Jacquot.

Le jury était composé de Sylvain Lecler.

Les rapporteurs étaient Yves Bellouard, Ottavia Jedrkiewicz.

  • Titre traduit

    Imagerie ultrarapide de nano-plasmas générés par un faisceau de Bessel dans les diélectriques


  • Résumé

    Les lasers femtoseconde ultra-intense sont largement utilisés pour le traitement des matériaux à l'échelle micro et nanométrique. Dans ce contexte, il est nécessaire de contrôler l'interaction laser-matière. Les faisceaux non diffractants, tels que les faisceaux de Bessel, offrent des avantages substantiels en ce qui concerne la stabilité de la propagation non linéaire dans les diélectriques. Ils ont permis la génération de nano-vides de rapport d'aspect extrêmement élevé. Cependant, les modèles conventionnels décrivant l'interaction Bessel-diélectrique ne parviennent pas à expliquer les observations expérimentales. Par conséquent, cette thèse vise à développer un ensemble de techniques pour retrouver les paramètres des plasmas générés par laser. La première partie développe une approche pour façonner la polarisation du faisceau de Bessel le long de sa propagation grâce à des lames demi-onde variant dans l'espace. La deuxième partie de ce travail est dédiée à l'imagerie de l'interaction entre le plasma généré par le début de l'impulsion et la majeure partie de l'impulsion. Nous avons confirmé une génération de nano-plasma avec une densité dépassant la densité critique, et un diamètre de typiquement 200 nm. La troisième partie de ce travail se concentre sur l'imagerie du plasma en utilisant une approche pompe-sonde. Ce nouveau concept est basé sur la mise en forme de la sonde comme un faisceau de Bessel d'ordre supérieur. Les paramètres du plasma sont extraits d'un ensemble de mesures de réflectivité en amplitude et en phase pour différents ordres et angles de l'impulsion de la sonde.


  • Résumé

    Ultra-intense femtosecond lasers are widely used for nano and micro-material processing. Explaining the laser-matter interaction is needed to control the processing. In this context, non-diffracting beams, such as Bessel beams, provided substantial advantages regarding the stability of the non-linear propagation within dielectrics. They allowed the generation of extremely high aspect ratio nanovoids. However, conventional models describing Bessel-dielectric interaction fail to explain experimental observations. Therefore, this thesis aims to develop a set of techniques to retrieve the parameters of laser-generated plasmas. The first part develops an approach to shape the polarization of the Bessel beam along its propagation based on spatially-varying waveplates. The second part of this work is dedicated to the imaging of the interaction between the plasma generated by the onset of the pulse and the trailing part inside sapphire. We confirmed a generation of nano-plasma with a density exceeding the critical density, and a diameter of typically 200 nm. Then, the third part of this work focuses on imaging the plasma using a pump-probe approach. This new concept is based on shaping the probe as a higher-order Bessel beam. The plasma parameters are extracted from a set of measurements of reflectivity in amplitude and phase for different orders and angles of the probe pulse.

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