Thèse Mesure du Champ Électrique par Génération de Deuxième Harmonique de Lumière Laser E-Fish pour les Applications Aérospatiales H/F

École polytechnique

Établissement : École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Plasmas
Direction de la thèse : Svetlana STARIKOVSKAIA ORCID 0000000169547336
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-01T23:59:59

La caractérisation du champ électrique dans le voisinage d'un système polarisé électriquement est une information extrêmement précieuse pour comprendre et modéliser les processus plasmas qui peuvent s'y dérouler. Cependant, pour être pertinente, cette mesure ne doit pas perturber la distribution du champ électrique (par l'insertion de sondes ou d'électrodes, par exemple). En conséquence, la méthode de mesure du champ électrique doit être non-intrusive. Dans le domaine aérospatial, on peut considérer deux applications qui bénéficieraient d'une telle technique. La première porte sur la mesure de la distribution du champ électrique dans des plasmas générés pour la stabilisation de la combustion dans des foyers aéronautiques ou pour la réalisation d'actionneurs plasmas. La seconde application concerne la caractérisation de la distribution du champ électrique autour d'une structure dans un champ atmosphérique statique, afin d'évaluer la probabilité de survenue d'un foudroiement. Récemment, une nouvelle technique de diagnostic laser, appelée EFISH (Electric Field Induced Second Harmonic generation), a été proposée dans le but de mesurer le champ électrique en volume de manière non-intrusive. Elle s'appuie sur la génération d'harmoniques secondaires à l'aide d'un laser impulsionnel. La génération d'harmoniques secondaires par le champ électrique (E-FISH) est un phénomène optique non linéaire dû à l'asymétrie de la polarisabilité induite par le champ électrique appliqué. Ceci permet la génération de l'harmonique, autrement interdite dans les milieux homogènes. Ce phénomène a récemment été utilisé avec succès pour les mesures de champ électrique dans les plasmas de laboratoire. Toutefois, pour être appliquée plus largement sur des dispositifs aérospatiaux, plusieurs problématiques subsistent : résolution insuffisante pour certaines configurations électrostatiques, sensibilité à la distribution du champ, faisabilité d'une mesure à distance. Cette thèse, consacrée au développement d'une technique de mesure du champ électrique à distance par détection laser, a pour ambition d'examiner et de proposer des solutions à ces problématiques.

Thematic and interdisciplinarity:
Interdisciplinarity of the Thesis is explained by application, within the Thesis period, of the developing laser E-FISH diagnostics to the objects under study in plasma field, atmospheric plasma events and plasma-assisted combustion. PhD student working for the Project will work on intersections of the mentioned fields taking into account peculiarities of physics and chemistry of each of them, even if the main line of the Thesis will be the development of advanced laser diagnostics.

Domain:
Laser diagnostics, plasma physics, atmospheric research, combustion.

State of the art:
Since the publication of the original paper in 2018 [1], a large number of groups have been interested in this technique, in France (LPP, Ecole Polytechnique) [2], the Netherlands, the United States [1], [3], Canada [4], Singapore and Japan. At the last (October 2024) Gaseous Electronics Conference, a significant number of presentations focused on this technique. Current work focuses on understanding the influence of the electric field profile on the signal [5], [6], improving the spatial resolution and sensitivity [3], [4]. The resolution of the original paper was about 400 V/cm. Recently, the resolution has been improved to 1 V/cm [3], which opens the perspectives for the measurement of the atmospheric field.

The collaboration between IPP and ONERA has all the assets to place itself at the best level on this theme: team LPP (IPP) is at the world level on the technique; there exists access to ONERA experts in non-linear optics (DPHY or LOA) and an original positioning on the theme (remote measurement).

Context:
First, the candidate will assemble an E-FISH diagnostics in the laboratory, in order to study the performance of a state-of-the-art device. Then, the candidate will propose and implement improvements in order to increase the measurement resolution on the one hand, and to increase the dynamic range of the diagnostics on the other hand.

In doing so, he/she will be able to carry out:
- measurement campaigns on plasma applicators used on combustion benches in ONERA,
- measurement campaigns outside the laboratory to demonstrate the feasibility of the method for remote measurements.

Finally, the candidate will be able to propose improvements to the diagnosis to improve its spatial resolution, for example by modifying the laser beam profile, suggesting crossed-beam configuration etc

In spite of the fact that E-FISH for measurements of electric field in gas discharges was proposed almost 10 years ago, all known setups suggest 'top-table' measurements. The aim of this PhD Thesis will be to develop a large-scale diagnostics, suitable to provide the measurements on long distances and as smallest possible E-field values. Obtained solution should be applied to at least two cases, for plasma-assisted combustion experimental bench(s), and for ONERA bench dedicated to the study of lightning.