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Génération et détection des particules

Contact : Jörg Hermann

En plus de la matière atomisée, les plasmas laser peuvent contenir des particules. Celles-ci peuvent être générées lors du processus d’ablation laser ou être formées par condensation dans vapeur en expansion. La taille des particules est très variable. Typiquement, des particules de taille nanométrique sont éjectées lors de l’ablation d’un matériau par impulsion laser ultrabrève (femtoseconde) tandis qu’une durée d’impulsion laser nanoseconde conduit plutôt à l’éjection de particules micrométriques. La caractérisation des particules par leur distribution en taille, et par leurs énergies cinétiques et internes contribue à une meilleure compréhension des mécanismes d’ablation et de formation des particules. Il est ainsi possible d’ajuster leur distribution en taille en régulant le régime thermique du matériau par ablation avec deux impulsions laser retardées.

Fig. 6. Images du panache d’ablation enregistrées lors de l’irradiation du cuivre par une impulsion laser femtoseconde (en haut) et par deux impulsions retardées de 33 ps (en bas). On observe une augmentation du taux d’atomisation pour l’ablation à double impulsions. La porte d’observation de la caméra est retardée de 400 ns par rapport aux impulsions laser.

Le panache d’ablation laser est un plasma de recombinaison, caractérisé par des valeurs initiales de température et de densité élevées, et suivi par un refroidissement rapide pendant son expansion. De ce fait, la formation des particules par condensation prévale le processus opposé de vaporisation des particules. Cependant, le bilan entre les deux processus peut être inversé en faveur de la vaporisation des particules. C’est le cas lors d’un claquage laser dans un gaz chargé de particules. Le claquage génère un plasma dont le volume contient des particules qui sont vaporisées par interaction plasma-particule. Ce processus est exploité lors du développement des systèmes pour les mesures de taille, de densité et de composition chimique des particules.

Fig. 7. Spectre d’émission d’un claquage laser dans un flux d’hélium contenant des aérosols d’alumine. La modélisation du plasma en équilibre thermodynamique local partiel permet de déterminer la composition chimique des aérosols.

Publications :

Boudhib M., Hermann J., Dutouquet C., Compositional analysis of aerosols using calibration-free laser-induced breakdown spectroscopy, Anal. Chem. 88, 4029–4035 (2016)

Axente E., Mihailescu I.N., Hermann J., Itina T.E., Probing electron-phonon coupling in metals via observations of ablation plumes produced by two delayed short laser pulses, Appl. Phys. Lett. 99, 081502 1-3 (2011)

Noël S., Hermann J., Reducing nanoparticles in metal ablation plumes produced by two delayed short laser pulses, Appl. Phys. Lett. 94, 053120 (2009)