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Thèse Année : 2011

Creation steps of an aluminum laser induced plasma : Development and validation of a collisional-radiative model

Dynamique de la création d'un plasma d'aluminium induit par laser : Élaboration et validation d'un modèle collisionnel-radiatif

Résumé

A sample can be analysed by using laser impact: some matter is ejected and the resulting gas is rapidly heated up to become highly radiating plasma. The related lines can be analysed by emission spectroscopy and they provide information about the target composition: the derived diagnostic method is called LIPS (Laser Induced Plasma Spectroscopy). Previous works have shown that the fluence F and the pulse duration τ are predominant parameters. The model developed during this PhD is done with the aim of describing the plasma formation in compliance with the physical situation. A 1D numerical approach including a Collisional-Radiative model is elaborated in the purpose of describing the behaviour of the nascent plasma resulting from the interaction between a Nd :YAG laser pulse (F = 6.5 J cm-2 and _ = 4 ns) with an aluminium sample in vacuum. The species considered are Al, Al+, Al2+, and Al3+, on their different excited states and free electrons. Both groups of particles are characterized by their translation temperature in thermal non-equilibrium state. Besides, each population density is assumed to be in chemical non-equilibrium and behaves freely through the five involved elementary processes (electron impact induced excitation and ionisation, elastic collisions, multi-photon ionisation and inverse Bremsstrahlung). Atoms passing from sample to gas phase are described by using classical vaporization phenomena so that the surface temperature is limited to values less than the critical point. The results put forward the rapid evolution of population densities which strongly depend on the temperature value reached at the sample surface. In the respect with the chosen conditions, the model shows that processes as multi-photon ionisation, inverse Bremsstrahlung and the atom flux density coming from the surface are preponderant for the plasma formation and lead to a maximum value of electron density and temperature equal to à 4.1024 m-3 and 7000 K respectively. In order to validate the collisional-radiative model, experiments are performed in conditions as similar as possible to those of the theoretical approach. The emission of the continuum radiation emitted at early time is ascribed to the thermal Bremsstrahlung and the radiative recombination. The analysis of the continuum radiation and the emission of Al+ spectral lines at 466 nm and 700 nm allows to estimate the electron density at temperature respectively at 1025 m-3 and 15000 K. The differences with the results of modeling are analysed.
L’interaction entre une impulsion laser nanoseconde et un échantillon à des densités de flux de l’ordre de 1013 W m-2 conduit à la création puis la relaxation d’un plasma par l’intermédiaire de phénomènes élémentaires collisionnels et radiatifs. L’analyse spectrale de ce plasma en recombinaison peut permettre la caractérisation de l’échantillon et constitue le principe de base de la LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy). Cette caractérisation est en général délicate en raison de la persistance de déséquilibres thermique ou d’excitation au sein du plasma résultant du fort déséquilibre thermodynamique initial où l’impulsion interagit avec l’échantillon. Le but de ces travaux a été de modéliser la dynamique de l’interaction laser-échantillon dans les conditions précédentes afin d’étudier ces déséquilibres partiels, leur conditions d’obtention et leur relaxation. Le cas retenu pour cette étude correspond à un échantillon d’aluminium placé dans le vide et éclairé par une impulsion de longueur d’onde 532 nm et de 4 ns de durée à mi-hauteur. Le plasma étant en déséquilibre thermodynamique, les temps caractéristiques concernés s’étendent sur l’intervalle 10-10 s – 10-6 s. Un modèle collisionnel-radiatif (CR) est mis au point en prenant en compte l’excitation et l’ionisation par impact électronique, l’ionisation multiphotonique, le Bremsstrahlung inverse, le Bremsstrahlung thermique, l’émission spontanée et les collisions élastiques. Ce modèle CR est couplé à l’échantillon selon deux approches : l’évolution de la température de surface est imposée (modèle A) ou cette évolution résulte en partie de la résolution de l’équation de bilan de l’énergie au sein de l’échantillon (modèle B). Les résultats mis en évidence montrent une évolution très rapide des densités de population au sein du plasma qui dépend très fortement du niveau atteint par la température de surface. L’ionisation multiphotonique, le Bremsstrahlung inverse et la densité de flux d’atomes en provenance de l’échantillon sont les phénomènes prépondérants dans la création du plasma et conduisent à une densité et une température électroniques maximales respectivement égales à 4.1024 m-3 et 7000 K. Afin de valider le modèle CR, des expériences sont menées dans les conditions de l’approche théorique précédente. L’emission du fond continu émis aux temps courts est attribué au Bremsstrahlung thermique à la recombinaison radiative : son analyse ainsi que celle des raies de Al+ à 466 nm et autour de 700 nm permet d’estimer la densité et la température électroniques respectivement à 1025 m-3 et 15000 K. Les différences avec les résultats du modèle CR sont analysées.
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Citer

Vincent Morel. Dynamique de la création d'un plasma d'aluminium induit par laser : Élaboration et validation d'un modèle collisionnel-radiatif. Physique [physics]. Université de Rouen, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04235881⟩
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