Simulation du dépôt d'énergie laser dans l'air avec des champs lumineux structurés et traitement de données d'apprentissage automatique pour une analyse LIBS des cibles à distance

Simulation of laser energy deposition with structured light beams in air and machine learning data treatment for LIBS analysis of remote targets

• Auteur / Autrice : Long Zou
• Direction : Arnaud Couairon, Jin Yu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/06/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Shanghai Jiao Tong University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique théorique (Palaiseau, Essonne) - Centre de Physique Théorique [Palaiseau] / CPHT
• Jury : Président / Présidente : Aurélien Houard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Couairon, Stelios Tzortzakis, Jérôme Kasparian, François Courvoisier, Yanping Chen, Tiejun Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stelios Tzortzakis, Jérôme Kasparian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Filamentation (physique)

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Méthodes de conception inverses

Simulation numérique

Filamentation d'impulsion laser

Libs

Machine learning

Inverse design methods

Numerical simulation

Laser pulse filamentation

Libs

Machine learning

Résumé

La propagation d'impulsions laser ultra-courtes et ultra-intenses dans l'atmosphère est de plus en plus étudiée. Un contrôle précis de la focalisation du champ laser et de la distribution des filaments de lumière qui s’étendent au-delà du foyer est nécessaire pour de nombreuses applications, comme la mission d'exploration de Mars qui comprend l'analyse des éléments chimiques à l'aide de la spectroscopie de désintégration induite par laser (LIBS), l'analyse de la composition de l'atmosphère par des techniques de détection et de télémétrie lumineuses (LIDAR), le déclenchement et le guidage de décharges électriques entre les nuages, ou la génération de lasers à lumière blanche par filamentation laser. Un contrôle quantitatif des propriétés de l'impulsion laser est très difficile en raison de l'interaction non-linéaire complexe entre l'impulsion laser intense et le milieu. Actuellement, les méthodes couramment utilisées reposent sur le contrôle des paramètres initiaux de l’impulsion laser en fonction du champ laser observé sur la cible. La grande dimension de l'espace des paramètres et la sensibilité des résultats aux conditions initiales rendent l'ajustement du champ laser hors du laboratoire difficile et inefficace pour répondre aux exigences des applications pratiques. Dans ce contexte, cette thèse propose une réponse à quelques-uns des défis de la propagation d’impulsions laser femtoseconde à longue portée, basée sur des scénarios de modulation de l'impulsion laser qui garantissent d'atteindre un champ laser sur cible avec les propriétés souhaitées. Ces scénarios ont été obtenus en associant méthodes d'ingénierie inverse et simulations numériques. Nous montrons que différents champs cibles peuvent être facilement et efficacement atteints en modulant le champ en sortie du laser. Chaque fois que cela est possible, la modulation est obtenue par simulation de la propagation inverse du champ cible vers le laser. Cette thèse se concentre sur deux objectifs différents de contrôle du champ laser : la projection à longue distance dans l'air (1) d'un filament de longueur prédéfinie, et (2) d’une intensité élevée.(1) Pour atteindre le premier objectif, une des innovations de cette thèse consiste à introduire un faisceau intermédiaire contrôlable proche de la cible, de type Bessel-Gauss, et à utiliser un algorithme numérique pour propager ce champ électrique en avant afin d’obtenir la distribution des filaments au point cible ainsi que rétropropager le champ intermédiaire pour obtenir la sortie laser souhaitée. Les paramètres de sortie laser obtenus sont ensuite liés aux caractéristiques du filament (point de départ, longueur, densité), fournissant une carte des paramètres clés définissant l'impulsion laser modulée qui peut être projetée sur le champ cible et le filament désirés.(2) Pour l'objectif de transmission d’intensités élevées à des distances kilométriques, nous examinons la propagation non-linéaire de faisceaux d'Airy circulaires et montrons qu'une puissance laser de quelques dizaines de GW est suffisante pour ioniser l'air et former un filament court à une distance de 1 km, ce qui pourrait faciliter les conditions de fonctionnement du laser par rapport aux lasers de classe TW utilisés dans les solutions conventionnelles pour projeter des intensités élevées à ces distances.Dans une étude séparée, nous proposons une amélioration de l'algorithme d'analyse élémentaire du spectre LIBS. L’algorithme est appliqué à la détection en ligne de la teneur en KCl et H[dollar]_2[dollar]O dans les engrais potassiques par LIBS, dans lequel la modélisation de régression de corrélation des spectres LIBS est combinée à un algorithme d'apprentissage automatique qui extrait efficacement les informations liées aux changements de contenu élémentaire à partir des spectres en ligne complexes, ce qui améliore considérablement la vitesse de détection tout en garantissant la précision de la détection et renforce encore la compétitivité.

The propagation of ultrashort and ultra-intense laser pulses in the atmosphere is increasingly studied.Precise control of the focusing of the laser field and the distribution of light filaments extending beyond the focus is required for many applications, such as the Mars exploration mission on the analysis of chemical elements using Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), the analysis of the composition of air by Light Detection and Ranging (LIDAR) techniques, the triggering and guiding of electric discharges between clouds, or the generation of white light laser by filamentation. A quantitative control of the light pulse properties is very difficult due to the complex nonlinear interaction between the intense laser pulse and the medium. At present, commonly used methods rely on the parameter control of the initial laser output and the feedback of the field at the target position. The high-dimension of the parameter space and the high sensitivity of the results to the initial conditions make the adjustment of the laser field outside the laboratory difficult and inefficient to meet the requirements of practical applications.In this context, this thesis proposes an answer to some of the challenges of long-range femtosecond laser pulse propagation, based on laser pulse modulation scenarios that guarantee to reach an on-target laser field with the desired properties. These scenarios were obtained by combining reverse engineering methods and numerical simulations. We show that different target fields can be easily and efficiently achieved by modulating the laser output field. Whenever possible, the modulation is obtained by simulating the reverse propagation of the target field towards the laser.This thesis focuses on two different objectives of laser field control: the long-range projection in the air of (1) a filament of predefined length, and (2) high intensity.(1) To achieve the first objective, one of the innovations of this thesis consists in introducing a controllable intermediate Bessel-Gauss beam close to the target, and in using a numerical algorithm to propagate this electric field forward in order to obtain the distribution of the filaments at the target point as well as back-propagate the intermediate field to obtain the desired laser output. The obtained laser output parameters are then related to filament features (starting point, length, density), providing a map for the key parameters defining the modulated laser pulse that can be projected onto the desired target field and filament.(2) For the objective of transmitting high intensities at kilometric distances, we examine the nonlinear propagation of circular Airy beams and show that a laser power of a few tens of GW is sufficient to ionize the air and form a short filament at a distance of 1 km, which could facilitate laser operating conditions compared to TW-class lasers used in conventional solutions to project high intensities at these distances.In a separate study, we propose an improvement of the elemental analysis algorithm of LIBS spectrum. The algorithm is applied to the extit{in situ} online detection of KCl and H[dollar]_2[dollar]O content in potash fertilizer by LIBS, in which correlation regression modeling of LIBS spectra is combined with a machine learning algorithm that efficiently extracts the information related to elemental content changes from the complex online collected spectra, which greatly improves the detection speed while ensuring the detection accuracy and further enhances the competitiveness.