Dimensionnement de sources térahertz produites par des plasmas d'air

Scaling of terahertz sources produced by air plasmas

• Auteur / Autrice : Alexandre Stathopulos
• Direction : Luc Bergé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière sous conditions extrêmes (Bruyères-le-Châtel, Essonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Danielle Dowek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Wolf, Ihar Babushkin, Peter Uhd Jepsen, Stefan Skupin, Caterina Riconda, Juliette Mangeney
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Pierre Wolf, Ihar Babushkin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement terahertz

Spectroscopie terahertz

Plasmas froids

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Sources térahertz

Plasma d’air

Laser ultracourt

ALTESSE

Laser à deux couleurs

Terahertz sources

Air plasma

Ultrashort laser

ALTESSE

Two-color laser

Résumé

Cette thèse se situe dans le cadre du projet ANR/MATURATION ALTESSE2 dont l'objectif était de fiabiliser la spectroscopie THz résolue en temps de matériaux énergétiques ou biologiques. Le rayonnement THz (1-100 THz) appartient au domaine infrarouge lointain. Sa période est semblable aux temps caractéristiques des mouvements ro-vibrationnels des macro-molécules (tissus organiques, explosifs ou drogues). Il est donc capable d'exciter ces transitions pour présenter un spectre de raies permettant l'identification du matériau analysé par spectroscopie. La méthode de production d'ondes THz étudiée consiste à focaliser une impulsion laser femtoseconde à deux harmoniques dans un gaz, ici l'air ambiant. Au régime d'intensités d'intérêt (10¹³⁻¹⁵ W/cm²), le faisceau laser ionise l'air par effet tunnel et engendre un plasma électronique parcouru par des courants, nommés « photo-courants », qui contiennent un terme THz provenant d'un mélange de fréquences entre le champ laser et la hausse de densité électronique. Celui-ci est alors rayonné typiquement sous la forme d'un cône d'angle d'ouverture ≈3°. Cette méthode est particulièrement adaptée à la spectroscopie car elle permet de générer des impulsions THz intenses (> 0,1 GV/m) et large-bande (< 100 THz), ce qui se différencie des sources usuelles présentant un spectre très piqué. Mon objectif a été d'optimiser ce procédé et d'améliorer la compréhension de ces mécanismes. Le rayonnement THz a été estimé à l'aide de deux modèles : le modèle Local Current qui néglige les effets de propagation laser pour donner une estimation 0D + t de l'amplitude THz générée, et l'équation 3D de propagation laser unidirectionnelle, qui est intégrée par le code de simulation CUP3D. Nous avons montré d'une part que polariser circulairement (état dit CP-S) les harmoniques laser permet d'augmenter l'énergie THz produite d'un facteur 4-5 par rapport au cas classique où ces fréquences sont polarisées linéairement (état dit LP-P), et d'autre part que l'état CP-S optimise le rendement de conversion parmi l'ensemble des polarisations laser elliptiques. De précédents travaux montrent que l'ajout d'harmoniques laser permet d'augmenter le rendement de conversion laser-THz d'un facteur allant jusqu'à 20 pour un faisceau LP-P. Nous rapportons que cette augmentation est moindre en polarisation CP-S, et que le cas LP-P devient plus efficace que CP-S au-delà de 5-6 harmoniques laser. Ensuite, l'intégration d'un modèle classique (plasma cylindrique homogène) permis de retrouver la distribution conique de l'émission THz mesurée lors d'une expérience. Nous proposons également un modèle d'émission conique plus complet prenant en compte les variations transverses du plasma et les aberrations optiques perturbant la propagation du faisceau laser. Ce modèle a été validé à l'aide de simulations 3D. Enfin, des estimations CUP3D ont montré que les aberrations optiques courantes (sphéricité, astigmatisme et coma) dégradent le spectre THz généré, qui est alors plus faible, plus fin et asymétrique dans l'espace.

This thesis is part of the ANR/MATURATION ALTESSE2 project, the objective of which was to make time-resolved THz spectroscopy of energetic or biological materials more reliable. THz radiation (1-100 THz) belongs to the far infrared range. Its period is similar to the characteristic times of the ro-vibrational movements of macro-molecules (organic tissues, explosives or drugs). It is therefore able to excite these transitions to present an absorption spectrum allowing the identification of the material analyzed by spectroscopy. The studied THz wave production method consists in focusing a two-harmonic femtosecond laser pulse in a gas, here ambient air. At the intensities of interest (10¹³⁻¹⁵ W/cm²), the laser beam ionizes the air by tunnel effect and generates an electronic plasma containing currents, called ''photo-currents'', which present a THz term generated by frequency-mixing between the laser field and the increase in electron density. The THz emission is then typically radiated as a cone with an opening angle of ≈3°. This method is particularly suitable for spectroscopy as it generates intense (> 0.1 GV/m) and broadband (< 100 THz) THz pulses, which differs from usual sources that provide a very thin spectrum. My objective was to optimize this process and improve the understanding of these mechanisms. The THz radiation was estimated using two models: the Local Current model which neglects laser propagation effects to give a 0D + t estimate of the generated THz amplitude, and the 3D unidirectional laser propagation equation, which is integrated by the CUP3D simulation code. We showed on the one hand that circularly polarizing (state called CP-S) the laser harmonics makes it possible to increase the THz energy produced by a factor of 4-5 compared to the classic case where these frequencies are linearly polarized (state called LP-P), and on the other hand that the CP-S state optimizes the conversion efficiency among all the elliptical laser polarizations. Previous work shows that the addition of laser harmonics can increase the laser to THz conversion efficiency by a factor of up to 20 for an LP-P beam. We report that this increase is less important in the CP-S configuration, and that the LP-P case becomes more efficient than CP-S beyond 5-6 laser harmonics. The integration of a classical model (homogeneous cylindrical plasma) allowed to find the conical distribution of the THz emission measured during an experiment. We also propose a more complete conical emission model taking into account the transverse variations of the plasma and the optical aberrations distorting the propagation of the laser beam. This model was validated using 3D simulations. Finally, CUP3D estimates showed that common optical aberrations (sphericity, astigmatism and coma) degrade the generated THz spectrum, which is then weaker, thinner and spatially asymmetrical.