Paratonnerres et antennes : applications de la filamentation laser

Le phé­no­mène de fila­men­ta­tion laser – qui se mani­feste lors de la pro­pa­ga­tion d’im­pul­sions laser intense de durée fem­to­se­conde – peut être exploi­té pour de nom­breuses appli­ca­tions : amé­lio­ra­tions révo­lu­tion­naires de la télé­dé­tec­tion optique pour la science atmo­sphé­rique ; perches laser super­so­niques pour réduire la pres­sion de l’onde de choc à l’a­vant d’un avion tra­ver­sant l’at­mo­sphère à une vitesse super­so­nique ; para­ton­nerres laser pour se pro­té­ger de la foudre ; ou antennes à plas­ma vir­tuelles pour l’é­mis­sion d’ondes radio.

Les fais­ceaux laser de forte puis­sance crête induisent un cer­tain nombre d’ef­fets non-linéaires impor­tants qui appa­raissent lors­qu’ils se pro­pagent dans l’air. Ces effets font qu’une par­tie de l’énergie du fais­ceau s’au­to-foca­lise spon­ta­né­ment, se concen­trant ain­si pour for­mer des canaux de lumière intenses appe­lés fila­ments – des bandes lumi­neuses de quelques microns de large et jus­qu’à plu­sieurs mètres de long. Cette auto-foca­li­sa­tion se pro­duit à des puis­sances laser supé­rieures à un cer­tain seuil et aug­mente l’in­ten­si­té du fais­ceau au point d’ioniser les atomes de l’at­mo­sphère et de géné­rer un plas­ma. Les fila­ments sont géné­ra­le­ment pro­duits lorsque le fais­ceau laser a une puis­sance crête supé­rieure à 5 giga­watts (GW). En termes simples, la fila­men­ta­tion laser est un régime par­ti­cu­lier de pro­pa­ga­tion laser obte­nu lorsque des fais­ceaux très intenses ont une durée de seule­ment quelques cen­taines de fem­to­se­condes (10^-15 s).

Si le fais­ceau ne contient que quelques mil­li­joules d’éner­gie, toute sa puis­sance sera auto-foca­li­sée en un fais­ceau étroit et pro­dui­ra un seul fila­ment. Tou­te­fois, de petites varia­tions d’intensité trans­ver­sale, ain­si que la tur­bu­lence de l’air, font que des fais­ceaux de quelques cen­ti­mètres de dia­mètre et d’une éner­gie de l’ordre du Joule s’au­to-foca­lisent en de mul­tiples fila­ments. Il en résulte un grand nombre de fila­ments – jus­qu’à 1000 – répar­tis plus ou moins aléa­toi­re­ment sur la sec­tion trans­ver­sale du faisceau.

Ces fila­ments peuvent être uti­li­sés pour diverses appli­ca­tions – pour gui­der et contrô­ler des décharges élec­triques, par exemple, puis­qu’ils créent un che­min pré­fé­ren­tiel pour ces décharges. On peut ain­si les gui­der sur une dis­tance allant jus­qu’à cinq mètres en ligne droite.

Ces décharges pour­raient être employées pour fabri­quer un type d’an­tenne qui exploite les pro­prié­tés conduc­trices des décharges droites pour une trans­mis­sion dans le domaine radio­fré­quence. L’i­dée ici est de rem­pla­cer les conduc­teurs métal­liques, qui sont assez gros, par des conduc­teurs à plas­ma pro­duits avec ces fila­ments femtoseconde.

L’autre appli­ca­tion impor­tante est le para­ton­nerre laser. Ce dis­po­si­tif res­semble à l’an­tenne à plas­ma vir­tuelle, mais à plus grande échelle, sur plu­sieurs cen­taines de mètres. L’idée est de fabri­quer un fila­ment très long capable de gui­der la foudre, et éven­tuel­le­ment de la déclen­cher avant que le nuage ora­geux n’arrive à proxi­mi­té d’un site sen­sible, comme un aéro­port. Cette tech­nique pour­rait aider à pro­té­ger ces cibles sen­sibles en déviant la foudre vers un point de cap­ture. Nous tra­vaillons sur ce sujet dans notre labo­ra­toire dans le cadre du pro­jet euro­péen « Laser Light­ning Rod ».

Nous cher­chons à démon­trer ce gui­dage de la foudre dans des condi­tions réelles – dans les mon­tagnes suisses. Dans cette région du monde, nous avons iden­ti­fié un site où la foudre est très fré­quente et tombe tou­jours au même endroit, ce qui est idéal pour des expé­ri­men­ta­tions. Nous pour­rions ain­si avoir plus d’é­vé­ne­ments de foudre pos­sible près de notre laser et de voir si notre tech­nique fonc­tionne avec de éclairs réels.

Lorsque nous fabri­quons les fila­ments – et notre plas­ma – nous chauf­fons l’air, ioni­sons les atomes et dépo­sons loca­le­ment de l’éner­gie laser. Cet échauf­fe­ment se pro­duit sous la forme d’une ligne très uni­forme en rai­son du pro­ces­sus de fila­men­ta­tion. Nous avons récem­ment démon­tré en souf­fle­rie, à l’aide d’une maquette d’a­vion à échelle réduite, qu’un tel chauf­fage par fila­men­ta­tion à l’a­vant d’un avion se dépla­çant à des vitesses super­so­niques (Mach‑3), for­mait une bulle qui déforme l’onde de choc sur le nez de l’a­vion, rédui­sant alors sa traî­née de 20 à 50%. Le chauf­fage réduit éga­le­ment l’éner­gie néces­saire pour faire avan­cer l’a­vion, amé­lio­rant ain­si sa consom­ma­tion de carburant.

Nous tra­vaillons à déve­lop­per ce concept pour décou­vrir si un long dépôt laser géné­ré à plus haute cadence est capable de réduire la traî­née de l’a­vion de façon conti­nu et s’il peut être uti­li­sé pour contrô­ler sa direction.

Il existe éga­le­ment un cer­tain nombre d’ap­pli­ca­tions liées au fait que les fila­ments peuvent pro­duire une lumière intense avec un spectre très large à des dis­tances pou­vant atteindre un kilo­mètre. Cela peut être inté­res­sant, par exemple, pour un sys­tème LiDAR (light detec­tion and ran­ging) mul­ti­fré­quence parce que, dans le fila­ment, on génère beau­coup de fré­quences lumi­neuses. Ces fré­quences sont dif­fu­sées par les par­ti­cules d’air sur une dis­tance d’un kilo­mètre et peuvent être uti­li­sées pour ana­ly­ser la com­po­si­tion de l’air.

Tou­jours dans le cadre du LiDAR et de la télé­dé­tec­tion optique, le plas­ma que nous créons dans le fila­ment peut émettre un rayon­ne­ment cohé­rent et agir natu­rel­le­ment comme une source laser UV. Les molé­cules qui sont ioni­sées ou exci­tées dans le plas­ma peuvent ampli­fier très for­te­ment une émis­sion de pho­tons et la forme allon­gée du fila­ment rend ce gain très direc­tion­nel. Si l’in­ten­si­té est suf­fi­sam­ment éle­vée, on peut exci­ter les molé­cules d’a­zote de l’air et obte­nir une émis­sion ultra­vio­lette direc­tion­nelle et cohé­rente rela­ti­ve­ment intense. Pour l’instant, nous avons démon­tré que cet effet laser fonc­tionne bien en labo­ra­toire et nous tra­vaillons à amé­lio­rer son effi­ca­ci­té à de plus grandes dis­tances dans l’air à pres­sion atmosphérique.

Réfé­rences :

• T. Pro­duit, P. Walch, C. Her­kom­mer, A. Mos­ta­ja­bi, M. Moret, U. Andral, A. Sun­jer­ga, M. Aza­di­far, Y.-B. André, B. Mahieu, W. Haas, B. Esmil­ler, G. Four­nier, P. Krötz, T. Metz­ger, K. Michel, A. Mysy­ro­wicz, M. Rubin­stein, F. Rachi­di, J. Kas­pa­rian, J.-P. Wolf, A. Houard, The Laser Light­ning Rod pro­ject, The Euro­pean Phy­si­cal Jour­nal Applied Phy­sics 93, 10504 (2021)

• P.-Q. Elias, N. Seve­rac, J.-M. Luys­sen, Y.-B. André, I. Dou­det, B. Wat­tel­lier, J.-P. Tobe­li, S. Albert, B. Mahieu, R. Bur, A. Mysy­ro­wicz and A. Houard, Impro­ving super­so­nic flights with fem­to­se­cond laser fila­men­ta­tion, Science Advances 4, eaau5239 (2018)

• A. Houard and A. Mysy­ro­wicz, Fem­to­se­cond laser fila­men­ta­tion and appli­ca­tions, Light Fila­ments : Struc­tures, chal­lenges and appli­ca­tions, Ins­ti­tu­tion of Engi­nee­ring and Tech­no­lo­gy, pp.11–30 (2021)