Projet ANR-10-JCJC-0401 – TIAF : Terahertz produit par filamentation dans l'air
Programme : JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Constituants fondamentaux de la matière, physique de la matière condensée (JCJC SIMI 4)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Aurélien HOUARD (CNRS - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR OUEST ET NORD)
Partenaires : Laboratoire d'Optique Appliquée
Montant : 175000.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Rayonnement Terahertz produit par filamentation laser femtoseconde dans l’airEtude expérimentale des mécanismes de génération et de détection d'impulsions terahertz dans l'air ionisé par des impulsions laser femtoseconde.
Etude de la filamentation laser pour l’émission et la détection de rayonnement THz dans l’airCe projet a pour but l’étude de la génération de rayonnement THz par filamentation dans l’air et la réalisation d’un système d’émission/détection cohérente THz large bande basé sur la génération de plasma dans l’air. Sa réalisation passe par la compréhension des mécanismes fondamentaux de génération et de détection des THz dans l’air ionisé et l’analyse des courants électroniques dans le plasma à l’origine de l’émission. Cette source THz large bande pourra être utilisée en laboratoire pour des expériences de spectroscopie résolue en temps et d’interaction non-linéaire avec des matériaux, ou être adaptée pour générer ou détecter des THz à grande distance pour des applications d’identification de matériaux par leur signature THz.
Amplification de l’émission THz du filament et système de spectroscopie résolue en tempsLes propriétés des plasmas produits par laser dans l’air dans le domaine terahertz ont été étudiées sous divers aspects, à la fois en tant que source THz et en tant que moyen de détection THz. Pour amplifier et contrôler la directivité du rayonnement THz produit à distance avec une source laser femtoseconde de classe terawatt, nous avons développé une méthode consistant à organiser plusieurs filaments de plasma pour les faire interférer. Par ailleurs nous avons construit plusieurs systèmes de détection cohérente du champ électrique terahertz basés notamment sur la génération de seconde harmonique par mélange à quatre ondes dans un filament. Ces systèmes de détection nous ont permis de caractériser des impulsions THz sur une plage de fréquence considérablement plus étendue qu’avec des systèmes électro optique classiques reposant par exemple sur l’utilisation de cristaux de ZnTe.
Résumé de la soumission : À la croisée des domaines de l’optique et de l’électronique, l’optique térahertz est en pleine explosion depuis une quinzaine. Un photon à la fréquence THz étant mille fois moins énergétique qu'un photon visible ces radiations sont très prometteuses pour mettre au point des méthodes d'imagerie non invasives, d’autant que la plupart des matériaux non polaires et non métalliques (papier, textiles..) sont transparents aux Térahertz. On peut mentionner nombre d’applications en spectroscopie (physique et chimie de la matière, détection de polluants, astronomie) ou dans les domaines de la sécurité et de la santé où les propriétés de transparence singulières des THz peuvent compléter les techniques usuelles utilisant des rayons X ou IR. Baptisé le "Terahertz gap" en raison du manque de source ou de détecteur THz efficace, c’est le développement dans les années 80 des méthodes électro-optiques de détection cohérente THz basées sur les lasers femtoseconde va marquer l’explosion des THz. Cette technique dite de spectroscopie résolue en temps permet de mesurer directement le module et la phase du champ électrique de l’impulsion THz, chose irréalisable dans les domaines de l’optique conventionnelle. Ainsi, ces dix dernières années, de nombreux laboratoires d’optique, de biosciences ou de physique des matériaux se sont équipés de systèmes de spectroscopie THz résolue en temps, principalement basés sur l’utilisation de cristaux non-linéaires (ZnTe, AsGa) ou d’antennes photoconductrices polarisées. La nouvelle frontière de la photonique THz cohérente réside désormais dans l’accroissement de l’énergie et du spectre des impulsions. En effet, pour qui souhaite atteindre des régimes de propagation non linéaire, générer des spectres plus étendus et suffisamment intenses, ou propager des impulsions THz sur de longues distances il est nécessaire de développer d’autres techniques de génération et de détection que les méthodes conventionnelles qui ont atteint leurs limites. Parmi les nouvelles techniques mises à jour, la plus simple à implémenter et la plus prometteuse consiste à focaliser une impulsion femtoseconde de quelques millijoules dans l’air pour créer un plasma. Le courant d’électrons libres impulsé par le laser sur le plasma va alors rayonner une impulsion picoseconde dans le domaine THz. En manipulant habilement le champ électrique local, il est possible d’amplifier ce courant pour générer des impulsions THz de plusieurs dizaines de nanoJoules dont le spectre s’étend jusque dans l’infrarouge. De plus, par un phénomène bien connu dit de filamentation laser, le plasma produit peut être étendu en une longue colonne de plasma permettant d’illuminer des cibles distantes et de s’affranchir ainsi du grave problème de l’atténuation du rayonnement THz par la vapeur d’eau lors de sa propagation dans l’atmosphère. Ce projet a pour objet l’étude et le développement de différentes méthodes de génération et de détection d’impulsion Terahertz intenses et large bande par le moyen de la filamentation laser dans l’air, c'est-à-dire en utilisant l’air ionisé par le laser pour générer et pour détecter les THz. La méthode de détection des THz dans l’air qui sera détaillée par la suite consiste à détecter la luminescence caractéristique d’un filament de plasma soumis au champ THz. Elle est particulièrement bien adaptée à une détection à distance de THz produits dans l’air. L’enjeux final est la réalisation d’un système capable de générer et de détecter les THz à distance dans l’atmosphère tout en permettant une spectroscopie THz résolue en temps couvrant tout le domaine THz. L’originalité du projet repose sur l’exploitation des propriétés des filaments produits par des impulsions laser femtoseconde dans l’air.
Résultats : Nous avons étudié les mécanismes de génération de rayonnement THz selon trois techniques impliquant la génération d’un filament dans l’air : la filamentation simple avec une impulsion laser à 800 nm, la filamentation à deux couleurs (800 nm + 400 nm) et la filamentation dans un champ électrique statique. Pour ce faire nous avons développé un système de détection cohérente du champ THz utilisant la méthode ABCD (Air Breakdown Coherent Detection). Cette étude a montré que pour des expériences en laboratoire la filamentation à deux couleur s’avère  être la plus efficace permettant de générer des champs électriques THz de plus de 150 kV/cm et de réaliser des mesures de spectroscopie résolue en temps sur 30 THz.  En revanche cette technique nécessite d’utiliser un faisceau à grande ouverte numérique pour produire un plasma court et intense, ce qui est difficile à réaliser à grande distance. La méthode à une couleur devient alors plus intéressante puisque nous avons montré que ce type de filament peut être généré jusqu’à 1 km du laser. Nous avons aussi montré que l’efficacité et la directivité de ces filaments à une couleur pouvaient être optimisées en organisant plusieurs filaments et en contrôlant leur phase.
Perspectives : Un verrou restant à franchir est la transposition des expériences de détection cohérente dans un plasma à grande distance. Par ailleurs les expériences et les calculs théoriques d’organisation de filaments montrent des perspectives intéressantes pour générer un rayonnement THz intense à grande distance mais la démonstration de la mise en phase de plusieurs dizaines de filaments nécessiterait de contrôler le front d’onde d’un laser TW à l’aide d’optiques adaptatives.
Publications et brevets : Les résultats obtenus ont donné lieu à plusieurs publications marquantes. La première concerne la mise en évidence des courants électroniques responsables de l’émission THz par filamentation dans différents gaz : “Measurement and control of plasma oscillations in femtosecond filaments”, Phys. Rev. Lett. 106, 255002 (2011).
La seconde présente la première démonstration de la synthèse cohérente de plusieurs filaments pour l’amplification et le contrôle du rayonnement THz produit dans l’air ionisé par un faisceau femtoseconde multi millijoules : « Coherent synthesis of THz fields from filament antenna array”, Appl. Phys. Lett. 102, 221107 (2013).