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Avancées dans le développement d’une méthode de mesure robuste du champ électrique dans les plasmas froids : La génération de second harmonique induit par un champ électrique (E-FISH)

Le champ électrique est une grandeur clef pour la caractérisation des plasmas froids. Il contrôle la distribution de l’énergie dans le plasma, et par exemple, dans les décharges nanosecondes, le champ électrique élevé explique pourquoi la chimie est dominée par des réactions telles que l’excitation électronique, l’ionisation et la dissociation moléculaire. Une mesure précise du champ électrique permet donc de mieux comprendre la réactivité du plasma.

Pourtant, les techniques de mesure de champ électrique pour les plasmas hors équilibre dans des conditions de pressions modérées à ambiantes, sont généralement rares car elles nécessitent une excellente résolution temporelle (sous-ns) et spatiale (sous-mm). Les méthodes de pointe telles que les mesures de l’effet Stark, la fluorescence induite par laser et le mélange à quatre ondes sont peut-être les plus prometteuses pour l’avenir.

Au cours des dernières années, la technique de mesure du champ électrique par la génération de second harmonique induit par un champ électrique, ou E-FISH, a montré un potentiel significatif. Cette méthode de mesure utilise un laser et repose sur la quantification de la réponse optique du second harmonique à un champ électrique externe. Comme le montre la figure 1, la présence d’un champ électrique induit un signal optique cohérent (à la longueur d’onde du second harmonique), qui est par ailleurs absent sans plasma. Les principaux avantages de cette technique sont sa simplicité et sa sensibilité de détection exemplaire - une intensité de champ d’environ 450 V/cm a été mesurée dans une décharge nanoseconde à 100 Torr. La production du signal est régie par la durée de l’excitation laser et permet en principe une résolution temporelle inférieure à la picoseconde avec des impulsions laser ultra-courtes. Enfin, le mécanisme non résonnant de la génération de second harmonique implique que l’E-FISH peut être appliqué dans pratiquement n’importe quel gaz.

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Figure 1
Cartoon illustrating the working principles of E-FISH.

Au LPP, les travaux de recherches portent à la fois sur l’application et le développement d’E-FISH. Les tentatives de compréhension de l’évolution du champ électrique dans les ondes à ionisation rapide (FIW) ont été considérablement aidées par la disponibilité de E-FISH, qui fournit la résolution temporelle sub-nanoseconde nécessaire pour capturer les phénomènes FIW [1,2]. Parallèlement à ces efforts, un schéma de découpage d’impulsion optique [3,4] a été développé au LPP. Cette approche permet de réduire la largeur d’impulsion de systèmes laser plus standardisés. Ce découpeur d’impulsions permet d’obtenir une résolution temporelle améliorée avec des lasers couramment disponibles et donc à moindre coût car il ne nécessite pas de laser à impulsions ultracourtes.

Toutefois la nature intégrée des mesures faites en utilisant la méthode E-FISH est un point souvent discuté dans la littérature. Des travaux récents au LPP en collaboration avec des collègues du LOB ont conduit à une meilleure compréhension du comportement spatial et de l’origine de la génération du signal. Une étude théorique et expérimentale impliquant des faisceaux laser focalisés a révèlé que le signal E-FISH, en plus de paramètres tels que le champ électrique appliqué de l’extérieur, est également fortement dépendant de toute la longueur (et la forme) du profil de champ électrique [5]. La figure 2 montre que cette observation est confirmée par la théorie et l’expérience pour une géométrie d’électrodes planes parallèles. Ce comportement peut être expliqué par la variation de phase intrinsèque (le déphasage de Gouy) présente dans un faisceau focalisé, et a également été observé dans des applications biologiques impliquant la génération de second harmonique. Cette composante de phase variant dans l’espace se traduit par une différence de phase spatialement dépendante entre les ondes du fondamental et du second harmonique lorsqu’elles se propagent vers l’avant. L’interaction qui en résulte signifie que les changements le long du chemin d’accumulation du signal, au-delà de la région focale du laser (où l’intensité du laser est la plus élevée), peuvent également modifier le signal éventuel.

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Figure 2
a) Effect of electrode length on the E-FISH signal for three different Rayleigh ranges, zR (corresponding to three different lens focal lengths), as predicted by (i) theory and (ii) experiments. b) Schematic of the parallel plate electrode geometry.

Bien que cette constatation contre-intuitive n’affecte pas la résolution temporelle de la mesure, elle soulève des complications pour arriver à des données quantitatives, car les profils de champ électrique présents pendant l’étalonnage et dans le plasma doivent être strictement correspondre, pour maintenir la précision. Quelques recommandations ont été émises à la suite de cette étude et sont actuellement poursuivies au LPP à travers plusieurs collaborations. Ces suggestions comprennent le croisement de deux faisceaux laser pour localiser le volume d’interaction dans la région d’intersection des faisceaux, ainsi que la possibilité de combiner les études expérimentales avec des simulations numériques pour fournir par les simulations, des informations sur les profils de champ électrique et donc apporter des corrections aux mesures. Ces études devraient aboutir à une technique de mesure de champ électrique robuste, bien adaptée aux plasmas froids hors équilibre.

Références

  1. Chng, T.L., Orel, I.S., Starikovskaia, S.M. and Adamovich, I.V., 2019. Electric field induced second harmonic (E-FISH) generation for characterization of fast ionization wave discharges at moderate and low pressures. Plasma Sources Science and Technology, 28(4), p.045004.
  2. Chng, T.L., Brisset, A., Jeanney, P., Starikovskaia, S.M., Adamovich, I.V. and Tardiveau, P., 2019. Electric field evolution in a diffuse ionization wave nanosecond pulse discharge in atmospheric pressure air. Plasma Sources Science and Technology, 28(9), 09LT02
  3. Chng, T. L., Ding, Ch., Naphade, M., Goldberg, B. M., Adamovich, I. V., & Starikovskaia, S. M. (2020). Characterization of an optical pulse slicer for gas-phase electric field measurements using field-induced second harmonic generation, Journal of Instrumentation, 15(03), p.C03005.
  4. Chng, T. L., Naphade, M., Goldberg, B. M., Adamovich, I. V., & Starikovskaia, S. M. (2020). Electric field vector measurements via nanosecond electric field induced second harmonic generation, Optics Letters, 45(7), pp.1942-1945.
  5. Chng, T. L., Starikovskaia, S. M., & Schanne-Klein M.-C. (2020) Electric field measurements in plasmas: how focusing strongly distorts the E-FISH signal, Plasma Sources Science and Technology, 29, 125002 (14pp).

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