Arnaud COUAIRON

Directeur de Recherche au CNRS

Equipe de recherche : Théorie des plasmas

Recherches actuelles

• Interaction laser matière et physique de la filamentation

• Filaments avec des faisceaux de Bessel dans les verres – Application au micro-usinage

• Filamentation à partir d'un satellite pour des mesures globales de polluants dans l'atmosphère

• Génération d'ondes acoustiques dans l'eau par laser femtoseconde

• Génération de rayonnement THz

Interaction laser matière et physique de la filamentation

Nous développons de nouveaux modèles et outils numériques pour comprendre les processus fondamentaux associés à la physique de la filamentation femtoseconde et à l'interaction laser-matière à des intensités comprises entre 1 et 100 TW / cm2. En particulier, nous nous concentrons sur la génération de radiations secondaires telles que les spectres de supercontinuum et les radiations THz. En parallèle, nous travaillons sur des applications de la filamentation telles que les décharges guidées par laser, le micro-usinage de verres par impulsions laser femtosecondes, des applications atmosphériques telles que la détection de polluants par filamentation et la génération de signaux acoustiques sous-marins par laser femtoseconde.  

Filaments avec des faisceaux de Bessel dans les verres – Application au micro-usinage

Nous travaillons sur le contrôle du dépôt d'énergie laser dans les verres pour les applications de micro et nano-usinage [1-6], en collaboration avec les équipes de O. Jedrkiewicz (Université d'Insubria, Côme, Italie), F. Courvoisir (Femto-ST, Besançon), R. Stoian et T. Itina (Univ. Jean-Monnet, St-Etienne). L’objectif principal est de contrôler le dépôt d’énergie laser dans la masse d’un solide transparent afin d’obtenir un canal plasma à fort rapport d’aspect et de percer le matériau, potentiellement en un seul tir laser, ce qui est souhaitable pour l’ablation ultra-rapide, le prototypage de verres, des applications en microfluidique, etc. Nous étudions la propagation non linéaire des faisceaux de Bessel pour leur capacité à se focaliser sur une ligne plutôt qu’en un foyer localisé. Nous étudions également les faisceaux de Bessel d'ordre supérieur, dont le lobe principal se focalise sur la surface d’un tube, permettant ainsi un contrôle simultané du diamètre, de la longueur et de la densité du canal de micro-plasma généré dans un verre.

[1] Jukna V, Milián C, Xie C, Itina T, Dudley J, Courvoisier F, et al. Filamentation with nonlinear Bessel vortices. Optics Express 22, 25410-25 (2014).

[2] Arnold CL, Akturk S, Mysyrowicz A, Jukna V, Couairon A, Itina T, et al. Nonlinear Bessel vortex beams for applications. Journal of Physics B-Atomic Molecular and Optical Physics 48, 094006 (2015).

[3] Jedrkiewicz O, Minardi S, Couairon A, Jukna V, Selva M, Di Trapani P. Plasma absorption evidence via chirped pulse spectral transmission measurements. Applied Physics Letters 106, 231101 (2015).

[4] Xie C, Giust R, Jukna V, Furfaro L, Jacquot M, Lacourt P-A, et al. Light trajectory in Bessel-Gauss vortex beams. Journal of the Optical Society of America a-Optics Image Science and Vision 32, 1313-6 (2015).

[5] Xie C, Jukna V, Milián C, Giust R, Ouadghiri-Idrissi I, Itina T, Dudley J. M., Couairon A., Courvoisier F. Tubular filamentation for laser material processing. Scientific Reports 5, 8914 (2015).

[6] Courvoisier F, Stoian R, Couairon A. [INVITED] Ultrafast laser micro- and nano-processing with nondiffracting and curved beams: Invited paper for the section: Hot topics in Ultrafast Lasers. Optics and Laser Technology 80, 125-37 (2016).

Filamentation à partir d'un satellite pour des mesures globales de polluants dans l'atmosphère

En collaboration avec l'agence spatiale Européenne, nous avons travaillé sur la modélisation et la simulation numérique de la filamentation dans l'atmosphère à partir d'une source laser embarquée dans un satellite. Cette étude a été motivée par les applications LIDAR femtoseconde. Le principe est illustré sur la Figure ci-dessous: Une source laser femtoseconde génère un filament et son super-continuum de lumière blanche dans l'atmosphère. Le signal rétrodiffusé est collecté par le satellite, ce qui permet une analyse multispectrale et globale de l'atmosphère. Comparé à une technique LIDAR terrestre standard, ce système tire parti du balayage d’un domaine spectral étendu en une seul tir laser. Il permet également une mesure globale de l'atmosphère avec une source laser unique (en orbite). Nous avons déterminé les paramètres laser permettant de générer le filament et le supercontinuum de lumière blanche à une altitude donnée, afin de prévoir de futures missions spatiales de mesures globales de l’atmosphère.

Fig. 1 : Principe du LIDAR femtoseconde à bord d'un satellite [Dicaire et al. 2016].

[7] Dicaire I, Jukna V, Praz C, Milian C, Summerer L, Couairon A. Spaceborne laser filamentation for atmospheric remote sensing. Laser Photonics Reviews 10, 481-93 (2016).

[8] Quinn MN, Jukna V, Ebisuzaki T, Dicaire I, Soulard R, Summerer L, A. Couairon, G. Mourou. Space-based application of the CAN laser to LIDAR and orbital debris remediation. European Physical Journal - Special Topics 224, 2645-55 (2015).

Génération d'ondes acoustiques dans l'eau par laser femtoseconde

Nous travaillons sur la théorie et la simulation numérique de la génération de sources acoustiques dans l'eau en focalisant un faisceau laser femtoseconde. La partie expérimentale de ce projet est développée par l’équipe de A. Houard au LOA. L'intérêt d'utiliser un laser femtoseconde est de pouvoir générer des signaux acoustiques distants grâce aux propriétés de propagation à longue distance de filaments, sans immersion de la source acoustique.

Nous avons étudié la dynamique de propagation d'une impulsion laser femtoseconde dans l'eau à l'aide de simulations numériques et de comparaisons avec des mesures spécifiques. Nous modélisons et simulons le dépôt d'énergie laser dans l'eau, le chauffage et la formation d'une bulle de cavitation. Cette dernière étape a nécessité l’élaboration d’un code hydrodynamique résolvant les équations d’Euler en régime de fluide compressible avec conduction thermique. Le signal acoustique a été propagé sur des distances de quelques centimètres pour modéliser une expérience visant à caractériser la source acoustique. Le diagramme de rayonnement correspond à une source acoustique fortement directive.

Fig. 2: Gauche : Résultats de simulation pour la propagation dans l'eau d'une impulsion laser de 290 mJ de durée (a) 0,5 ps et (b) 5 ps. 
Droite : Diagramme de rayonnement du signal acoustique (mesures : courbes bleues; simulations numériques : courbes noires) pour les fréquences (a) 0,5 MHz et (b) 2 MHz. [9]

Notre code hydrodynamique compressible a également été exploité pour l’étude des décharges électriques dans l’air guidées par laser femtoseconde, en collaboration avec M. Clerici (Univ. De Glasgow) et l’équipe de R. Morandotti (INRS, Varennes, Canada). En particulier, l’utilisation de faisceaux d’Airy comme guide d’impulsions laser a permis d’obtenir un filament de plasma et un dépôt d’énergie laser de forme parabolique, ainsi qu’une décharge parabolique après détente de la colonne d’air chaud.

Fig. 3 Décharges guidées par laser:
(a) Un faisceau de Bessel génère un canal plasma en ligne droite entre les électrodes.
(b) Un faisceau d’Airy génère un canal plasma parabolique; la décharge évite l'obstacle.
c) le faisceau de Bessel ou (d) le faisceau d’Airy a heurté l'obstacle mais s'est auto-régénéré derrière l’obstacle, permettant à la décharge de passer au-dessus de l'obstacle
e) Simulation numérique de l'expansion de la colonne d'air chaud (dans les cas c) ; f) simulation du trajet des électrons. [10].

En collaboration avec K. Plamann et M.C. Schanne-Klein (LOB), notre code de simulation a également été utilisé dans le contexte de la chirurgie de la cornée par laser, pour étudier la propagation de l'onde de choc générée après le dépôt d'énergie laser, vers l'endothélium [11].

[9] Jukna V, Jarnac A, Milian C, Brelet Y, Carbonnel J, Andre YB, et al. Underwater acoustic wave generation by filamentation of terawatt ultrashort laser pulses. Physical Review E 93, 063106 (2016).

[10] Clerici M, Hu Y, Lassonde P, Milián C, Couairon A, Christodoulides DN, Chen Z., Razzari L., Vidal F., Légaré F., Faccio D., Morandotti R. Laser-assisted guiding of electric discharges around objects. Science Advances 1:e1400111 (2015).

[11] Hussain SA, Milian C, Crotti C, Kowalczuk L, Alahyane F, Essaidi Z, et al. Cell viability and shock wave amplitudes in the endothelium of porcine cornea exposed to ultrashort laser pulses. Graefes Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 255, 945-53 (2017).

Génération de rayonnement THz

Avec l’équipe de R. Morandatti (INRS, Varennes), nous avons montré que la génération de rayonnement térahertz utilisant le schéma d’interaction laser-plasma à deux couleurs (fondamental et second harmonique) est 30 fois plus efficace pour un laser infrarouge (1800 nm) que pour une longueur d’onde dans le proche infrarouge (800 nm). Des champs électriques THz qui atteignent 4,4 MV / cm ont été prédits par notre modèle et mesurés.

Avec les équipes de G. Ravindra Kumar (Tata Institute, Mumbai) et S. Tzortzakis (Université Texas A & M, Qatar), nous avons démontré un moyen non conventionnel de générer des impulsions térahertz à très haut débit et ultra-large bande par filamentation laser ultra-rapide dans des liquides, obtenant un rendement de conversion remarquablement élevé, supérieur à 10?3 ; nos simulations ont montré que la génération efficace de rayannement térahertz dans les liquides est due à la génération locale en phase d’une forte composante de deuxième harmonique de la longueur d’onde fondamentale du laser dans le cadre de l’élargissement spectral non linéaire de l’impulsion laser, suivie d’un schéma standard d’interaction laser-plasma à deux couleurs.

[12] Dey I, Jana K, Fedorov VY, Koulouklidis AD, Mondal A, Shaikh M, Sarkar D, Lad AD, Tzortzakis S, Couairon A, Ravindra Kumar G, Highly efficient broadband terahertz generation from ultrashort laser filamentation in liquids, Nat. Commun 8, 1184 (2017)

Sélection d’articles

Clerici M., Hu Y., Lassonde P., Milián C., Couairon A., Christodoulides D. N., Chen Z., Razzari L., Vidal F., Légaré F., Faccio D., Morandotti R.
Laser-assisted guiding of electric discharges around objects.
Science Advances 1: e1400111 (2015)
http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1400111

Xie C., Jukna V., Milián C., Giust R., Ouadghiri-Idrissi I., Itina T., Dudley J. M., Couairon A., Courvoisier F.
Tubular filamentation for laser material processing.
Scientific Reports 5: 8914 (2015)
http://dx.doi.org/10.1038/srep08914

Point G., Milián C., Couairon A. , Mysyrowicz A., Houard A.
Generation of long-lived underdense channels using femtosecond filamentation in air.
Journal of Physics B - Special Issue 48(9): 094009 (2015)
http://iopscience.iop.org/0953-4075/48/9/094009

Milián C., Jukna V., Couairon A. , Houard A. , Forestier B., Carbonnel J., Liu Y. , Prade B., Mysyrowicz A.
Laser beam self-cleaning in air in the multifilamentation regime.
Journal of Physics B - Special Issue 48(9): 094013 (2015)
http://iopscience.iop.org/0953-4075/48/9/094013

Thèse : "Modes globaux fortement non-linéaires dans les écoulements ouverts". Th. doct. : Mécanique : Paris 11 : 1997.