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

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.