Dimensionnement de sources térahertz produites par des plasmas d'air

This thesis is part of the ANR/MATURATION ALTESSE2 project, the objective of which was to make time-resolved THz spectroscopy of energetic or biological materials more reliable. THz radiation (1-100 THz) belongs to the far infrared range. Its period is similar to the characteristic times of the ro-vibrational movements of macro-molecules (organic tissues, explosives or drugs). It is therefore able to excite these transitions to present an absorption spectrum allowing the identification of the material analyzed by spectroscopy. The studied THz wave production method consists in focusing a two-harmonic femtosecond laser pulse in a gas, here ambient air. At the intensities of interest (10¹³⁻¹⁵ W/cm²), the laser beam ionizes the air by tunnel effect and generates an electronic plasma containing currents, called "photo-currents", which present a THz term generated by frequency-mixing between the laser field and the increase in electron density. The THz emission is then typically radiated as a cone with an opening angle of ≈3°. This method is particularly suitable for spectroscopy as it generates intense (> 0.1 GV/m) and broadband ( 0,1 GV/m) et large-bande (< 100 THz), ce qui se différencie des sources usuelles présentant un spectre très piqué. Mon objectif a été d'optimiser ce procédé et d'améliorer la compréhension de ces mécanismes. Le rayonnement THz a été estimé à l'aide de deux modèles : le modèle Local Current qui néglige les effets de propagation laser pour donner une estimation 0D + t de l'amplitude THz générée, et l'équation 3D de propagation laser unidirectionnelle, qui est intégrée par le code de simulation CUP3D. Nous avons montré d'une part que polariser circulairement (état dit CP-S) les harmoniques laser permet d'augmenter l'énergie THz produite d'un facteur 4-5 par rapport au cas classique où ces fréquences sont polarisées linéairement (état dit LP-P), et d'autre part que l'état CP-S optimise le rendement de conversion parmi l'ensemble des polarisations laser elliptiques. De précédents travaux montrent que l'ajout d'harmoniques laser permet d'augmenter le rendement de conversion laser-THz d'un facteur allant jusqu'à 20 pour un faisceau LP-P. Nous rapportons que cette augmentation est moindre en polarisation CP-S, et que le cas LP-P devient plus efficace que CP-S au-delà de 5-6 harmoniques laser. Ensuite, l'intégration d'un modèle classique (plasma cylindrique homogène) permis de retrouver la distribution conique de l'émission THz mesurée lors d'une expérience. Nous proposons également un modèle d'émission conique plus complet prenant en compte les variations transverses du plasma et les aberrations optiques perturbant la propagation du faisceau laser. Ce modèle a été validé à l'aide de simulations 3D. Enfin, des estimations CUP3D ont montré que les aberrations optiques courantes (sphéricité, astigmatisme et coma) dégradent le spectre THz généré, qui est alors plus faible, plus fin et asymétrique dans l'espace