Filamentation laser femtoseconde
Décharge électrique à fort courant induite dans l'air par filamentation laser

La technologie laser a considérablement évolué au cours des années 2000. Une des percées les plus spectaculaires a été accomplie dans le domaine des lasers émettant des impulsions brèves. D'ores et déjà, les lasers dit femtosecondes sont commercialisés et couramment utilisés en laboratoire et dans l'industrie. Ce type de laser émet des impulsions ayant une durée de l'ordre de quelques dizaines de femtosecondes, à une cadence qui peut aller de quelques hertz à plusieurs mégahertz. Chaque impulsion contient une énergie qui peut facilement atteindre 10 mJ, voire quelques joules dans les installations les plus importantes. La puissance crête d'une impulsion étant donnée par la relation P = E/dt, où E est l'énergie de l'impulsion et dt sa durée, on voit qu'une impulsion de 100 fs avec une énergie de 1 J correspond à une puissance instantanée de 1 TW. Or le térawatt est comparable à la puissance électrique moyenne consommée en Europe à chaque instant.

On conçoit que la propagation d'une telle impulsion dans l'atmosphère n'obéisse plus aux lois de l'optique classique car les propriétés optiques de l'air sont modifiées en présence du champ électromagnétique intense. Le premier effet qui intervient est l'effet Kerr optique, représenté schématiquement sur la figure 1. L'indice de réfraction n de l'air est augmenté en présence d'un champ EM, selon la relation :

où n ₀ est l'indice de réfraction linéaire de l'air, n ₂ l'indice non linéaire associé à l'effet Kerr, I(r, t) est l'intensité lumineuse au point de coordonnée radiale r et au temps t. Cet effet est bien connu depuis l'avènement des lasers dans les années 1960 car il apparaît facilement dans les milieux denses où l'indice non linéaire n ₂ I est grand, même pour des puissances laser de quelques mégawatts (voir l'article ...