Etude expérimentale comparative de plasmas induits par impulsion laser ultra-courte sur échantillons solidesDépartement Ecoulements réactifs

Groupe de travail Physico-chimie des milieux plasmas

Thématique scientifique Interaction laser-matériau

Cadre Co-tutelle CORIA(UMR CNRS 6614) – LOMC (UMR CNRS 6294)

Encadrants Arnaud BULTEL Ioan SCHNEIDER

Type d’allocation souhaitée ou programmée : Allocation régionale

Mots-clés Plasmas, LIBS, impulsions picosecondes/femtosecondes

Résumé

Cette proposition de thèse porte sur l’étude expérimentale de plasmas induits par impulsion laser picoseconde et femtoseconde dans le but d’estimer leurs avantages respectifs en termes d’analyse de composition élémentaire d’échantillons comparés à la méthode classique par impulsion nanoseconde. Les moyens utilisés sont essentiellement spectroscopiques (émission, absorption, diffusion Thomson) et permettront l’analyse de plasmas induits sur l’alliage commercial DURAL
(AU4G Al-Cu-Mn-Mg).

  • Description du sujet

L’analyse in situ de la composition élémentaire d’échantillons présente un intérêt économique très important. A ce jour, elle reste un problème difficile encore ouvert [1]. La seule technique ayant fait partiellement ses preuves est basée sur l’analyse spectroscopique de plasmas induits par laser sur l’échantillon traité [2]. Soumis à des impulsions laser nanoseconde, une fraction infime de l’échantillon s’échauffe, se liquéfie en s’évaporant, puis s’ionise : les niveaux de température atteints
sont suffisants pour induire l’émission d’un spectre dont l’analyse permet enfin de déterminer la composition élémentaire de l’échantillon [3]. L’utilisation d’impulsions laser nanosecondes présente un certain nombre de désavantages [4] :

1. l’énergie est déposée sur l’échantillon sur une épaisseur caractéristique importante, peu compatible avec une résolution spatiale forte requise pour certains matériaux,

2. la vapeur formée absorbe une partie importante de l’impulsion, ce qui empêche le contrôle rigoureux du dépôt d’énergie à la surface et conduit à un fort déséquilibre thermodynamique
initial,

3. le passage par un bain de fusion conduit à un mélange de couches de compositions différentes réduisant la résolution spatiale,

4. ce bain de fusion est sujet à des instabilités hydrodynamiques et à des explosions de phase conduisant à une éjection très vive de microgouttelettes difficilement compatible avec une analyse spectroscopique représentative,

5. les éléments légers désorbent très vite de l’échantillon en raison de l’existence du bain de fusion, ce qui conduit à une sous-estimation de leur concentration. Ces désavantages expliquent pourquoi le recours à des banques de données spectrales préalablement élaborées à partir d’échantillons de référence est quasi systématique [5], sans pour autant garantir des seuils de détectabilité très faibles. Elles illustrent d’autre part les limites de la technique.

Pour pallier ces difficultés, l’utilisation d’impulsions ultra-courtes est extrêmement prometteuse. Le plasma formé suite à l’interaction avec une impulsion ultra-courte n’absorbe pas l’impulsion, sa
durée étant largement inférieure au temps caractéristique de formation du plasma. L’énergie est en effet déposée directement sur le matériau, sur des épaisseurs caractéristiques plus faibles qu’en régime nanoseconde et le plasma formé est moins éloigné de l’équilibre thermodynamique [6]. Cependant, personne ne peut dire à l’heure actuelle si les avantages apportés par l’utilisation d’impulsions femtosecondes sont supérieurs à ceux apportés par l’utilisation d’impulsions picosecondes. Les premières ne génèrent aucun bain de fusion contrairement aux secondes pour lesquelles le bain de fusion formé est clairement plus modeste et moins perturbateur que dans le cas nanoseconde. Mais elles peuvent produire de nombreuses nanoparticules préjudiciables à un diagnostic spectroscopique optimal. Sur ces caractéristiques purement scientifiques s’ajoutent
l’encombrement moins important et les souplesses d’emploi plus grandes des lasers picosecondes par rapport aux sources femtosecondes qui peuvent s’avérer des arguments rédhibitoires dans le cas où le diagnostic serait à terme diffusé en environnement industriel. Pour estimer les performances donc les éventuelles améliorations du diagnostic apportées par l’utilisation d’impulsions femtosecondes ou picosecondes, nous proposons d’engager des travaux de recherche sur ces aspects dans le cadre d’une thèse.
Le but de ces travaux est d’étudier dans des conditions d’éclairement parfaitement identifiées et contrôlées, à pression atmosphérique ou réduite, les caractéristiques des plasmas induits par impulsion laser femtoseconde ou picoseconde sur des échantillons de DURAL (AU4G, alliage Al-Cu-Mn-Mg). En particulier :

1. les cartographies de la densité et de la température électroniques seront déterminées,
2. les écarts à l’équilibre thermodynamique local seront mesurés,
3. la densité et l’état d’excitation des molécules formées en fin de plasma seront déterminés,
4. la densité de population des états fondamentaux des différents constituants sera déterminée. Cette dernière détermination fera l’objet d’une comparaison détaillée avec la composition de l’échantillon obtenue par des mesures ex situ,
5. une comparaison de ces résultats avec ceux obtenus lors de précédentes thèses en impulsion nanoseconde sera effectuée.
L’ensemble de ce programme s’appuie sur nos compétences en spectroscopie expérimentale [7] et sur la maîtrise et la mise au point de codes de calcul de spectres synthétiques [8]. Il s’appuie également sur la collaboration étroite entre nos laboratoires (CORIA et LOMC) concernant la cinétique des plasmas de recombinaison [9-12].

Programme de la thèse (36 mois)

Octobre 2012 – décembre 2012
Prise en main source laser picoseconde, caractérisation et contrôle du faisceau

Janvier 2013 – novembre 2013
Mesures des caractéristiques des plasmas induits par impulsion picoseconde

Décembre 2013 – octobre 2014
Mesures des caractéristiques des plasmas induits par impulsion femtoseconde

Novembre 2014 – avril 2015
Comparaison des caractéristiques, détermination de la composition, comparaison avec mesures réalisées sur l’alliage choisi (DURAL AU4G). Etude des cratères par profilométrie
interférométrique. Estimation performances mutuelles impulsions laser nanosecondes, picosecondes, femtosecondes

Octobre 2015 Soutenance

Références bibliographiques

[1] D.A. Rusak, B.C. Castle, B.W. Smith, J.D. Winefordner (1998) Recent trends and the future of laser-induced plasma spectroscopy. Trends in Analytical Chemistry 17 8,9 453-461.
[2] D.A. Cremers, L.J. Radziemski (2006) Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. John Wiley & Sons, Ltd.
[3] G. Travaillé, O. Peyrusse, B. Bousquet, L. Canioni, K. Michel-Le Pierres, S. Roy (2009) Local thermodynamic equilibrium and related metrological issues involving collisional radiative model in laser-induced aluminum plasmas. Spectrochim. Acta B 64:931-937.
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[7] V. Morel (2011) Dynamique de la création d’un plasma d’aluminium induit par laser : Elaboration et validation d’un modèle collisionnel-radiatif, Doctorat de l’Université de Rouen.
[8] V. Morel, A. Bultel (2012) Estimate of the electron temperature and density at the boundary of a laser-induced aluminum plasma. Spectrochim. Acta B, soumise.
[9] I.F. Schneider (1992) Processus élémentaires et calculs de cinétique dans les plasmas en régime de recombinaison, Doctorat de l’Université Paris XI Orsay.
[10] O. Motapon, D. Backodissa, F.-O. Waffeu-Tamo, D. Tudorache, K. Chakrabarti, J.Zs. Mezei, F. Lique, A. Bultel, L. Tchang-Brillet, O. Dulieu, J. Tennyson, A. Wolf, X. Urbain, I.F. Schneider (2011) J. Phys : Conf. Series 300 012018 :1-9
[11] A. Bultel, B.G. Chéron, A. Bourdon, O. Motapon, I.F. Schneider (2006) Collisional-radiatif model in air for Earth re-entry problems, Phys. Plasmas 13 043502:1-11
[12] O. Motapon, M. Fifirg, A. Florescu, F.-O. Waffeu-Tamo, O. Crumeyrolle, G. Varin-Bréant, A. Bultel, P. Vervisch, J. Tennyson, I.F. Schneider (2006) Reactive collisions between electrons and NO+ ions: rate coefficient computations and relevance for the air plasma kinetics, Plasma
Sources Sci. Technol. 15:23-32