Vincent MOREL Arnaud Bultel Bruno G. Chéron

1. Caractéristiques radiatives d’un plasma d’aluminium induit par laser en cours de création Vincent MOREL Arnaud Bultel Bruno G. Chéron

2. Plan Plan • But de l’étude • Phase de création d’un plasma de LIPS • Objectif de notre étude • Modèle numérique • Hypothèses et structure du modèle • Résultats de la modélisation • Etude expérimentale • Rayonnement d’émission • Diffusion Thomson • Perspectives, conclusion • But de l’étude • Phase de création d’un plasma de LIPS • Objectif de notre étude • Modèle numérique • Hypothèses et structure du modèle • Résultats de la modélisation • Etude expérimentale • Rayonnement d’émission • Diffusion Thomson • Perspectives, conclusion

3. Flux de particules Flux laser Cible ex Couche de Knudsen Gaz/plasma laser Cible -50 μm 0 ex Introduction à notre étude • Laser-induced plasma diagnostics (LIPS) • Avantages : Simple d’utilisation, rapide et précis • Inconvénient : Comparer avec des banques de données Knudsen layer PAMO 2010 02/07/10

4. Phase de création Phase de recombinaison Etat de l’art Evolution temporelle de la densité électronique pour différentes pression [4] Titane métallique 248 nm, 5 J.cm-2, 30 ns PAMO 2010 02/07/10 [4] M. Capitelli, A. Casavola, G. Colonna and A. De Giacomo, Spect. chim. B. 59 271-289 (2004)

5. Gaz/plasma laser Cible Cible Gaz/plasma laser Surface Objectifs de notre étude • Objectifs • Modéliserlaformationduplasmapourobtenirunedescriptionglobale • Déterminer numériquement les composition du plasma et de la cible • Modèles 1D développés (cas-test : aluminium) • Modélisation des phases de création et de recombinaison du plasma • Plasma en déséquilibre thermique et chimique Modèle A Température de surface de la cible décrite par une évolution temporelle gaussienne (Tmax = 3000 K) Modèle B Température de surface de la cible directement déduite de l’interaction laser-surface

6. Plan Plan • But de l’étude • Phase de création d’un plasma de LIPS • Objectif de notre étude • Modèle numérique • Hypothèses et structure du modèle • Résultats de la modélisation • Etude expérimentale • Rayonnement d’émission • Diffusion Thomson • Perspectives, conclusion

7. τ λ Pulse laser et Température de surface • Equation pour la densité de flux du laser avec Caractéristiques du laser • Durée du pulse : =5ns • Longueur d’onde : =532nm • Energie du pulse : E=65mJ • Diamètre de focalisation :d=1mm Equation pour la température de surface Evaporation pilotée par la pression de vapeur saturante Tfusion = 933 K PAMO 2010 02/07/10

8. Flux de particules Flux laser Cible ex Modélisation de la phase plasma • Hypothèses de résolution • Modèle 1D • Monocouche d’épaisseur X variable • Equations de bilan local de l’énergie Vitesse d’agitation thermique • Pour les électrons • Pour les lourds Indices: e: électrons l: lourds e: énergie de la particule p.u.v. PE: terme de production φE: terme de flux PAMO 2010 02/07/10

9. Interaction laser - plasma Composition du plasma • Al2+ (21 niveaux) • Al3+ (1 niveau) • Al (43 niveaux) • Al+ (42 niveaux) • Electrons libres Processus d’interaction Ionisation multi-photonique Bremsstrahlung inverse Excitation et ionisation par impact électronique Collision élastique Emission spontanée 400 transitions Bremsstrahlung direct « thermique » PAMO 2010 02/07/10

10. Chauffage du plasma Evolution temporelle des températures du plasma Tmax = 3000 K et Tmax = 4000 K

11. Cinétique d’ionisation Evolution temporelle des densités des composants du plasma Tmax = 3000 K et Tmax = 4000 K

12. Influence des processus sur l’évolution des températures

13. Chauffage de la cible (Modèle B) Condition à la limite : continuité du flux Equation de conservation de l’enthalpie volumique ρ : masse volumique a : diffusivité thermique cp : capacité thermique massique k : conductivité thermique Evaporation pilotée par la pression de vapeur saturante Tfusion = 933 K PAMO 2010 02/07/10

14. Atteinte du point critique Evolution temporelle de la température de surface et de la densité de flux d’énergie du laser 8000 Tcritique = 6900 K 6000 TS(K) 4000 2000 2.0 1.5 φ(x1013 W.m-2) 1.0 0.5 Temps (s) t = 0 s pour le plasma

15. Plan Plan • But de l’étude • Phase de création d’un plasma de LIPS • Objectif de notre étude • Modèle numérique • Hypothèses et structure du modèle • Résultats de la modélisation • Etude expérimentale • Rayonnement d’émission • Diffusion Thomson • Perspectives, conclusion

16. lentilles collectrices Schéma du dispositif expérimental

17. Emission aux temps courts

18. Tentative de détermination de ne Détermination de Te par l’alignement des points expérimentaux

19. Dispositif expérimental pour diffusion Thomson Cible horizontale en rotation dans réacteur sous vide Spectromètre et caméra ICCD Générateur de délais pour contrôle lasers/caméra Laser de sonde Laser de pompe

20. Conclusion & Perspectives • Deux modèles 1D prenant en compte 7 processus et 108 espèces en déséquilibre thermique et chimique • Processus majoritaire Ionisation multi-photonique • Atteinte rapide du point critique dans le modèle B • Premières estimations directes des propriétés du gaz électronique (Bremsstrahlung) • Fin d’élaboration du modèleB • Exploitation des 2 modèles pour diverses conditions • Mesures directes de ne et Te par diffusion Thomson

22. Influence des processus sur l’évolution des densités