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Improving Spatial Resolution and Sensitivity of Electric-Field Induced Second Harmonic for Cold Plasma Diagnostic

Justin Hogue

Master's thesis (2023)

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Abstract

With this thesis, a significant improvement in electric field measurements by electric-field induced second harmonic generation (E-FISH) is achieved. Through the application of an external electric field, centrosymmetric media such as gas and liquids gain second-order non-linearity. Upon probing this nonlinearity with lasers, light at the second harmonic laser frequency is generated. The strength of this second harmonic generated from the interaction of the media and a probing laser beam is quadratic with the externally applied electric field. This technique is often used in plasma electric field diagnostics. The electric field strength in plasma yields crucial information about the chemical reactions that can occur. Although the technique is well established in plasma research, several gaps prohibit a prolific use of E-FISH. The spatial resolution of E-FISH and its lacking sensitivity at lower electric field are problematic. The longitudinal spatial resolution is of the order of the interaction length of the probing laser and the measured electric field. This length can be several mm to cm. Furthermore, due to the quadratic behavior of the signal, low-field measurements are limited to signals of the order of 100s of V/cm. Presented in this work is the investigation through modelling and simulation on the limits and possible improvements of a crossbeam E-FISH scheme to improve spatial resolution: The simulations show a drastic decrease of E-FISH signal with increasing focal length of the focusing lens, as well as with increasing crossing angle of the two E-FISH laser beams. Based on these findings, this thesis searches for ways to improve the E-FISH signals at low fields. A novel optically amplified E-FISH technique is developed, which utilizes interference of the signal with a local oscillator. The experimental results gained in this work show that this homodyne amplification of the signal yields a factor of 7 improvement in signal-to-noise compared to regular E-FISH. It is worth noting that this new technique also allows a direct measurement of the direction (positive field or negative field) of the electric field, which is not possible using E-FISH due to its quadratic nature. To further improve the signal-to-noise ratio in E-FISH, a boxcar average approach is imple-mented. Improvements in signal-to-noise ratio greater than 70% are reported. Compared to common mJ-level pulse energies used for E-FISH, this work reports application of µJ-level pulses, which opens the possibility to measure electric fields with orders of magnitude cheaper equipment, allowing measuring at high repetition rates of MHz instead of Hz and kHz, thus advancing the current state of the art. With this, along with the higher sensitivity, single-shot measurements and real-time signal diagnostics come into perspective. In summary, this research provides a new tool for detection of electric fields with improved sensitivity and high pulse repetition rate, together with the possibility of directional field measurements.

Résumé

Dans ce mémoire, une amélioration significative est reportée sur la technique de mesure de champ électrique nommé génération de seconde harmonique induite par champ électrique (E-FISH). Sous l’effet d’un champ électrique externe, un milieu centrosymétrique, tel qu’un gaz ou un fluide, acquiert des propriétés optiques nonlinéaire de second ordre. Par l’interaction d’un faisceau laser avec ces milieux nonlinéaires, un faisceau de la seconde harmonique du laser est généré. L’intensité de ce faisceau est quadratique avec la force du champ électrique appliqué. Cette technique est largement utilisée dans le domaine de caractérisation des champs électriques des plasmas froids. Les caractéristiques de ces champs permettent d’obtenir des informations cruciales sur les réactions chimiques produites dans les plasmas froids. Bien que la technique soit utilisée depuis un moment dans le domaine des plasmas, son plein potentiel n’est pas atteint dû à certains manques. La résolution spatiale longi-tudinale de la technique est de l’ordre de la longueur d’interaction du faisceau laser et du champ mesuré ce qui est de l’ordre de plusieurs mm et peut aller jusqu’à des cm, et due à la dépendance quadratique du signal généré par rapport au champ mesuré, la mesure de champs de faible amplitude est limité à environ 100V/cm. Ce mémoire présente une étude sur la faisabilité d’une géométrie en faisceau croisé pour améliorer la résolution spatiale au travers de modélisation et de simulation. À partir des résultats de ceux-ci, une réduction importante du signal généré est observée lorsque l’angle entre les faisceaux augmente ainsi que lorsque la longueur focale des lentilles utilisées augmente. Suite à ces observations, ce projet s’est penché sur des moyens d’amplifier le signal généré par E-FISH. À cette fin, une nouvelle version du E-FISH amplifié par interférence optique avec un oscillateur local a été développée. Les résultats d’expérimentation présentés dans ce mémoire rapportent un facteur d’amélioration de 7 sur le ratio de signal sur bruit comparé au E-FISH standard. En plus, la technique permet la mesure directe du signe du champ électrique, soit positif ou négatif, ce qui est une première dans le domaine de détection de champs électriques par E-FISH. Afin d’améliorer ce résultat, l’utilisation d’un intégrateur de signal de type "boxcar" a été utilisé et une amélioration supplémentaire de plus de 70% est rapportée sur le ratio de signal sur bruit. Les mesures de E-FISH ont été conduites en utilisant un laser à faible énergie par pulse de l’ordre des µJ. Cette démonstration, s’opposant aux sources laser normalement utilisées dans le domaine qui utilise des pulses de l’ordre des mJ, vient ouvrir l’accès au E-FISH à moindre coût. De plus, l’utilisation d’une telle source laser donne accès à un régime de répétition de pulse du MHz, à l’opposé du standard du domaine du Hz ou kHz.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Stephan Reuter, Michel Meunier and Denis Seletskiy
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53438/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 11 Dec 2023 08:50
Last Modified: 07 Apr 2024 17:43
Cite in APA 7: Hogue, J. (2023). Improving Spatial Resolution and Sensitivity of Electric-Field Induced Second Harmonic for Cold Plasma Diagnostic [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53438/

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