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Caractérisation des plasmas produits par laser

Contact : Jörg Hermann

Les mécanismes mis en jeu dans l’ablation laser sont complexes, notamment en régime nanoseconde en présence d’un gaz à la pression atmosphérique. De ce fait, il n’existe aujourd’hui aucun modèle permettant de prédire les propriétés du plasma en fonction des propriétés du matériau et des conditions d’irradiation. Cela concerne la dynamique d’expansion et l’interaction entre la matière vaporisée et le gaz ambiant. La diffusion thermique et atomique, le rôle des réactions chimiques et la validité de l’équilibre thermodynamique local sont alors au centre de nos intérêts.

Pour mieux comprendre ces processus, le plasma est caractérisé par des techniques d’imagerie rapide et de spectroscopie d’émission résolu en temps et dans l’espace. L’émission spectrale est analysée par comparaison avec des spectres calculés sur la base du modèle d’équilibre thermodynamique local.

Fig. 1. Dynamique d’expansion du plasma d’ablation laser généré par impulsions nanosecondes UV sous argon à pression réduite.

Fig. 2. Image spectrale obtenue à l’aide d’un spectromètre imageur pour une distance d’observation de 400 µm par rapport à la surface de l’échantillon. On observe l’émission provenant de la matière ablatée dans un volume restreint autour de l’axe de symétrie du plasma et l’émission du gaz autour.

Fig. 3. Spectres d’émission du plasma produit par ablation laser de l’aluminium sous argon (en haut) et sous air (en bas). Le spectre observé pour l’argon est comparé à la luminance spectrale d’un plasma uniforme en équilibre thermodynamique local. Le plasma non-uniforme sous air est modélisé par deux zones représentant le cœur chaud et la périphérie froide. Les creux observés pour les raies de résonnance Al I 308.21 et 309.27 nm sont dus à la réabsorption par la périphérie froide.

Publications :

Hermann J., Grojo D., Axente E., Gerhard C., Burger M., Craciun V., Ideal radiation source for plasma spectroscopy generated by laser ablation, Phys. Rev. E 96, 053210 1-6 (2017)

De Giacomo A., Hermann J., Laser-induced plasma emission : from atomic to molecular spectra, J. Phys. D : Appl. Phys. 50, 183002 1-17 (2017)

Hermann J., Lorusso A., Perrone A., Strafella F., Dutouquet C., Torralba B., Simulation of emission spectra from nonuniform reactive laser-induced plasmas, Phys. Rev. E 92, 053103 1-15 (2015)

Lagrange J.F., Hermann J., Wolfman J., Motret O., Time-resolved spatial distribution of plasma in the ablation of a Ba0.6Sr0.4TiO3 target by 25 ns KrF ultraviolet laser, J. Appl. Phys. 116, 133303 1-7 (2014)

Mercadier L., Hermann J., Grisolia C., Semerok A. Diagnostics of nonuniform plasmas for elemental analysis via laser-induced breakdown spectroscopy : demonstration on carbon-based materials, J. Anal. At. Spectrom. 28, 1446 – 1455 (2013)

Beldjilali S., Yip W.L., Hermann J., Baba-Hamed T., Belasri A., Investigation of plasmas produced by laser ablation using single and double pulses for food analysis demonstrated by probing potato skins, Anal. Bioanal. Chem. 400, 2173-2183 (2011)

Mercadier L., Hermann J., Grisolia C., Semerok A., Plume segregation observed in hydrogen and deuterium containing plasmas produced by laser ablation of carbon fiber tiles from a fusion reactor, Spectrochim. Acta Part B 65, 715-720 (2010)

Hermann J., Mercadier L., Mothe E., Socol G., Alloncle P., On the stoechiometry of mass transfer from solid to plasma during pulsed laser ablation of brass, Spectrochim. Acta Part B 65, 636-641 (2010)

Lagrange J. F., Hermann J., Wolfman J., Motret O., Dynamical plasma study during CaCu3Ti4O12 and Ba0.6Sr0.4TiO3 pulsed laser deposition by local thermodynamic equilibrium modelling, J. Phys. D : Appl. Phys. 43, 285202 1-6 (2010)