Conclusion et perspectives

En conclusion, nous avons montr´e pour la premi`ere fois, que grˆace `a la technique LI-DAR `a lumi`ere blanche bas´ee sur l’utilisation du continuum g´en´er´e par la filamentation lors de la propagation verticale d’impulsions femtosecondes t´erawatts, nous sommes en mesure de d´eterminer simultan´ement la distribution en taille des gouttes dans un nuage et les propri´et´es thermodynamiques `a leur voisinage, c’est `a dire la temp´erature et l’hu-midit´e relative. Ces mesures, parce qu’elles utilisent la mˆeme source laser, sont r´ealisables simultan´ement. Bien que pr´eliminaires, elles ouvrent la voie pour la r´ealisation d’un LI-DAR multiparam`etres combinant la technique LIDAR `a plusieurs champs de vue et des mesures spectrales r´esolues en temps. Les donn´ees provenant d’une telle station LIDAR permanente combinant ces techniques seraient tr`es utiles `a la mod´elisation atmosph´erique.

De plus, tout le potentiel de cette technique n’est pas encore utilis´e. Il serait possible d’utiliser plusieurs longueurs d’onde ayant des longueurs de p´en´etration optique diff´ e-rentes pour analyser la distribution en taille des gouttes dans le nuage `a des profondeurs diff´erentes.

seule technique LIDAR rendue possible par les lasers femtosecondes t´erawatts. D’autres syst`emes LIDAR bas´es sur d’autres propri´et´es de la filamentation seront d´ecrits au cha-pitre suivant, montrant tout le potentiel et la souplesse de cette technique.

Les filaments pour s’affranchir de la

limite de diffraction

A

^{u chapitre pr´}non-lin´eaires lors de la propagation pour g´^{ec´edent, nous avons d´ecrit des applications LIDAR utilisant des effets}en´erer de la lumi`ere blanche. Ici, on utilise la capacit´e des filaments `a transporter des hautes intensit´es laser de mani`ere `a exciter des effets non-lin´eaires, in situ, sur des cibles situ´ees `a longue distance pour les analyser. En effet, on sait que pour un faisceau se propageant lin´eairement (cf. paragraphe 1.1.1), le diam`etre de la tache focale augmente proportionnellement `a la distance z de focalisation, empˆechant ainsi la possibilit´e d’induire des effets non-lin´eaires `a longue distance en r´egime nanoseconde.

Dans ce chapitre, deux exemples d’application illustrent la propri´et´e des filaments `a induire des effets non-lin´eaires `a distance. Dans le premier cas, des a´erosols biologiques sont d´etect´es et analys´es `a distance en excitant la fluorescence `a 2 photons grˆace aux non-lin´earit´es de la propagation des impulsions femtosecondes t´erawatts. Dans le deuxi`eme cas, des cibles solides sont analys´es `a distance en cr´eant un plasma `a la surface de l’´ echan-tillon grˆace `a la haute intensit´e des filaments. L’analyse de l’´emission permet d’identifier les compos´es de l’´echantillon ´etudi´e.

4.1 Le LIDAR non-lin´eaire : d´etection et

identifica-tion d’a´erosols biologiques

La t´el´ed´etection et l’identification des a´erosols biologiques dangereux dans l’air sont devenues un enjeu majeur de la s´ecurit´e civile et militaire. La plupart des a´erosols biolo-giques sont des bact´eries de taille typique de 1 µm comme par exemple l’anthrax [111]. Ces bact´eries peuvent se rassembler jusqu’`a former des agglom´erats de taille de 10 µm.

4.1. Le LIDAR non-lin´eaire : d´etection et identification d’a´erosols biologiques

Pour r´epondre `a une ´eventuelle menace, il est n´ecessaire de pouvoir localiser rapidement la source de diffusion des a´erosols, de cartographier en trois dimensions la propagation du nuage d’a´erosols, et d’identifier les agents biologiques sans ambigu¨ıt´e parmi une grande vari´et´e d’a´erosols atmosph´eriques inoffensifs. Pour cela, nous avons propos´e une nouvelle approche bas´ee sur un LIDAR non-lin´eaire, o`u la haute intensit´e transport´ee par les fi-laments excite la fluorescence `a plusieurs photons `a distance sur la cible `a analyser. En effet, les bact´eries contiennent des fluorophores naturels. Ce sont par exemple des acides amin´es tels que le tryptophane, tr`es pr´esent dans l’organisme, des nicotinamides (NADH) ou encore des flavines telle la vitamine B2 (riboflavine). Ces fluorophores naturels, dont la riboflavine, peuvent servir de traceurs de bact´eries pour la t´el´ed´etection des a´erosols biologiques [112, 113].

En particulier, dans les exp´eriences d´ecrites ici, la riboflavine a ´et´e utilis´ee comme simulant biologique, et la signature de son spectre de fluorescence `a 520 nm sert `a l’iden-tifier. La fluorescence de la riboflavine est excit´ee par l’absorption `a deux photons de la fondamentale du laser `a 800 nm. Outre, les b´en´efices de la propagation non-lin´eaire du faisceau, l’excitation `a 2 photons permet de choisir une longueur d’onde d’excitation dans l’infrarouge plutˆot que dans l’ultraviolet, de mani`ere `a tirer partie d’une meilleure transmission atmosph´erique pour les grandes longueurs d’onde. L’utilisation d’impulsions ultra-br`eves ouvre ´egalement la possibilit´e de r´ealiser des mesures simultan´ees de la dis-tribution en taille des a´erosols par des m´ethodes pompe-sonde [114, 115]. De plus, une mise en forme temporelle des impulsions [116, 117] devrait `a terme permettre d’am´eliorer la s´electivit´e de ce mode de d´etection par des techniques de “contrˆole coh´erent”[118].

4.1.1 Dispositif exp´erimental

La fluorescence est excit´ee par les impulsions femtosecondes t´erawatts du laser T´ e-ramobile. Le faisceau avait un diam`etre initial de 9 cm, et une dur´ee d’impulsions de 1 ps. L’´emission de fluorescence est d´etect´ee par un syst`eme LIDAR int´egr´e au syst`eme T´eramobile, compos´e d’un t´elescope de 20 cm et d’un spectrophotom`etre (cf. Fig. 4.1).

Les simulants biologiques ´etaient g´en´er´es dans la chambre `a nuages d´ecrite au cha-pitre 2 pour ´etudier la propagation `a travers un nuage. Ce nuage ´etait situ´e `a 45 m du T´eramobile. La distribution en taille des a´erosols a ´et´e mesur´ee par un analyseur optique (Grimm mod`ele G 1-108). Ce sont des gouttelettes d’eau de rayon moyen de 1 µm et de concentration en riboflavine de 0,02 g/L. Le spectre obtenu est repr´esent´e en fonction de la distance sur la figure 4.2. Nous avons d´etermin´e, que, lors de ces exp´eriences l’intensit´e optimale d´epos´ee sur la cible au niveau des gouttes ´etait de 10¹¹ W/cm².

Téramobile Spectro + PM Télescope Signal Nuage Filaments

l

Distance (m)

Fig. 4.1 – Disposif exp´erimental : Le faisceau par des effets non-lin´eaires transportent des hautes intensit´es `a longue distance pour induire une excitation `a 2 photons dans le nuage de simulants biologiques. La fluorescence est d´etect´ee par la technique LIDAR

Dans le document Propagation d'impulsions Térawatts femtosecondes dans l'atmosphère et applications. (Page 115-120)