Observation and characterization of laser-driven Phase Space Electron Holes

The direct observation and full characterization of a phase space electron hole (EH) generated during laser-matter interaction is presented. This structure, propagating in a tenuous, nonmagnetized plasma, has been detected via proton radiography during the irradiation with a ns laser pulse (I?2 ˜ 1014 W/cm2) of a gold hohlraum. This technique has allowed the simultaneous detection of propagation velocity, potential, and electron density spatial profile across the EH with fine spatial and temporal resolution allowing a detailed comparison with theoretical and numerical models.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

New opportunities for secure communication networks using shaped femtosecond laser pulses inducing filamentation processes in the atmosphere

The current study discusses new opportunities for secure ground to satellite communications using shaped femtosecond pulses that induce spatial hole burning in the atmosphere for efficient communications with data encoded within super-continua generated by femtosecond pulses. Refractive index variation across the different layers in the atmosphere may be modelled using assumptions that the upper strata of the atmosphere and troposphere behaving as layered composite amorphous dielectric networks composed of resistors and capacitors with different time constants across each layer. Input-output expressions of the dynamics of the networks in the frequency domain provide the transmission characteristics of the propagation medium. Femtosecond pulse shaping may be used to optimize the pulse phase-front and spectral composition across the different layers in the atmosphere. A generic procedure based on evolutionary algorithms to perform the pulse shaping is proposed. In contrast to alternative procedures that would require ab initio modelling and calculations of the propagation constant for the pulse through the atmosphere, the proposed approach is adaptive, compensating for refractive index variations along the column of air between the transmitter and receiver.

Innovative architecture of on-board and on-ground radio systems for space communication

The radio communication system is one of the most critical system of the overall satellite platform: it often represents the only way of communication, between a spacecraft and the Ground Segment or among a constellation of satellites. This thesis focuses on specific innovative architectures for on-board and on-ground radio systems. In particular, this work is an integral part of a space program started in 2004 at the University of Bologna, Forlì campus, which led to the completion of the microsatellite ALMASat-1, successfully launched on-board the VEGA maiden flight. The success of this program led to the development of a second microsatellite, named ALMASat-EO, a three-axis stabilized microsatellite able to capture images of the Earth surface. Therefore, the first objective of this study was focused on the investigation of an innovative, efficient and low cost architecture for on-board radio communication systems. The TT&C system and the high data rate transmitter for images downlink design and realization are thoroughly described in this work, together with the development of the embedded hardware and the adopted antenna systems. Moreover, considering the increasing interest in the development of constellations of microsatellite, in particular those flying in close formations, a careful analysis has been carried out for the development of innovative communication protocols for inter-satellite links. Furthermore, in order to investigate the system aspects of space communications, a study has been carried out at ESOC having as objective the design, implementation and test of two experimental devices for the enhancement of the ESA GS. Thus, a significant portion of this thesis is dedicated to the description of the results of a method for improving the phase stability of GS radio frequency equipments by means of real-time phase compensation and a new way to perform two antennas arraying tracking using already existing ESA tracking stations facilities.

Space-qualified laser system for the BepiColombo Laser Altimeter

The space-qualified design of a miniaturized laser for pulsed operation at a wavelength of 1064 nm and at repetition rates up to 10 Hz is presented. This laser consists of a pair of diode-laser pumped, actively q-switched Nd:YAG rod oscillators hermetically sealed and encapsulated in an environment of dry synthetic air. The system delivers at least 300 million laser pulses with 50 mJ energy and 5 ns pulse width (FWHM). It will be launched in 2017 aboard European Space Agency’s Mercury Planetary Orbiter as part of the BepiColombo Laser Altimeter, which, after a 6-years cruise, will start recording topographic data from orbital altitudes between 400 and 1500 km above Mercury’s surface.