L’analyse des donnés obtenues par le P-scan et leur interprétation.

Comme on peut le voir à partir de la figure 3.1, le schéma expérimental est relativement simple. En revanche en faisant un balayage sur un intervalle d’énergie suffisamment grand, on est capable d’extraire beaucoup d’informations sur la propagation dans le gaz. Si on commence avec des énergies suffisamment basses pour éviter la propagation non linéaire, on s’attend à observer une transmission constante. Lorsqu’on augmente graduellement l’énergie, le recul du foyer entre en jeu en premier. Le foyer non linéaire recule vers la lentille de focalisation en causant un faible élargissement spatial de la tache laser sur le diaphragme, ce

Le P-scan : une méthode expérimentale simple pour la caractérisation des différents régimes de propagation d’une impulsion laser focalisée dans les gaz.

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En augmentant encore l’énergie initiale le faisceau commence à former un filament. Grâce au processus de filamentation le faisceau se propage sur des distances relativement longues avec une taille pratiquement constante, jusqu’au point où la filamentation s’arrête. Dans ce cas la taille du faisceau au niveau du diaphragme en sortie devient relativement plus petite, ce qui augmente l’énergie transmise à travers le diaphragme. En continuant à augmenter l’énergie initiale, la multi-filamentation commence. L’apparition de plusieurs filaments réduit la portion d’énergie dans le centre du faisceau et se traduit par une diminution de la transmission.

Figure 3.2. Courbe typiquement obtenue de l’analyse des données P-scan. On peut distinguer 4 zones, qui correspondent à 4 régimes différents de propagation : propagation linéaire (zone I), propagation non linéaire pre- filamentée (zone II), filamentation (zone III) et multi-filamentation (zone IV).

La figure 3.2 montre une courbe typique obtenue avec des données expérimentales enregistrées avec la méthode P-scan dans l’air à la pression atmosphérique. Sur l’axe supérieur des x de ce graphique on indique la puissance initiale du laser normalisée avec la puissance critique de collapse de Marburger, P . L’énergie initiale correspondante est _cr indiquée sur l’axe inférieur des x, alors que l’axe des y représente le pourcentage d’énergie transmise à travers l’ouverture du diaphragme.

Dans la courbe obtenue on peut distinguer quatre régimes de propagation. En allant d’une puissance basse vers une puissance plus élevée, la région I indique une propagation en régime linéaire. Dans cette région il n’y a pas d’effets non linéaires significatifs, donc la transmission à travers l’ouverture reste constante. Les fluctuations observées sont dues au fait qu’à basse énergie le rapport signal/bruit est plus petit. Cette région est utile parce que elle nous donne

Chapitre 3.

une base pour la calibration de la transmission absolue. Dans la région II on observe une légère diminution de la transmission. Cette diminution pourrait être due à un faible élargissement de la tache laser au niveau du diaphragme, mais aussi à une faible diminution d’énergie due à l’ionisation multi-photonique, ou encore, elle pourrait être due à la somme de ces deux effets. Le premier cas indiquerait que le faisceau est diffracté avant le foyer géométrique de la lentille de focalisation. On peut appeler ce phénomène un recul du foyer mais pas dans le sens de Marburger ; en fait un faible plasma, peut apparaître à cause de l’ionisation du milieu avant la puissance critique de collapse, ce qui peut initier le processus de diffraction avant le foyer géométrique en même temps qu’une absorption multi-photonique et donner, à la sortie de la cellule, une tache plus large et légèrement moins énergétique. En effet comme on peut le constater l’effet de recul du foyer commence à une demi puissance critique de Marburger (P ) et ne pourrait pas être dû à une simple auto-focalisation du cr

faisceau. Toutefois la puissance n’est pas encore suffisante pour amorcer la filamentation du faisceau laser. La zone III indique là où la filamentation s’amorce. Comme on peut le voir il y a une augmentation significative de la transmission absolue due à l’auto-canalisation du faisceau, qui diminue la taille de la tache laser au niveau du diaphragme. Dans cette région la transmission augmente proportionnellement à l’énergie du laser ; l’explication est une augmentation de la longueur du filament vers la fenêtre de sortie de la cellule, en fonction de l’énergie, ce qui augmente la transmission. Comme on le verra dans la suite, cette explication est confirmée par des simulations numériques. Comme conséquence on peut définir le point de minimum au début de la région III comme le point où la filamentation s’amorce. Les valeurs de la puissance et de l’énergie initiales en ce point sont indiquées dans le tableau 3.1. Enfin, la région IV de la courbe montre une diminution importante de la transmission absolue. Il est bien connu qu’il n’est pas possible de concentrer beaucoup plus qu’une puissance critique dans un seul filament (on verra qu’il y a des exceptions, en fait il est possible d’augmenter l’énergie d’un seul mode de propagation en agissant localement sur le filament (voir chapitres IV et V); c’est pour cette raison que, à très haute puissance, le faisceau se divise en plusieurs filaments où chaque filament transporte environ une puissance critique. Lorsque la multi-filamentation s’amorce, l’énergie au centre du faisceau diminue par rapport au cas d’un seul filament. Pour cette raison on observe sur la courbe une diminution de la

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faisceau lors de la multi-filamentation est un comportement universel. L’application de la méthode P-scan à l’étude approfondie de ce régime multi-filamenté serait très intéressante, mais elle sort des propos de cette thèse.

Les deux points de la courbe P-scan où le signe de la dérivée change, nous aident à évaluer l’énergie initiale (ou la puissance initiale) nécessaire à la formation d’un filament (point de minimum) et l’énergie initiale maximum qu’on peut utiliser dans la création d’un seul filament (point de maximum), tout en évitant la multi-filamentation.