Développement et applications d’un système laser femtoseconde infra-rouge basse énergie et haute cadence de tir pour l’analyse d’éléments trace dans les solides par couplage ablation laser PDF Download

Author: Fanny Claverie
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Languages : fr
Pages : 294

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L’ablation laser couplée à une détection par spectrométrie de masse à plasma induit apparait de plus en plus comme un outil de choix pour l’analyse des solides. L’utilisation de sources laser femtoseconde permet d’améliorer les performances analytiques du couplage, l’interaction laser-matière privilégiant les phénomènes athermiques contrairement aux lasers nanoseconde plus classiquement utilisés. Une collaboration entre le Laboratoire de Chimie Analytique Bio-Inorganique et Environnement de Pau et Novalase SA (spécialisé dans l’intégration optique et laser) a fait naitre la première station d’ablation laser femtoseconde intégrée. Ses caractéristiques particulières, que sont la haute cadence de tir et un optique de balayage rapide du faisceau, permettent d’explorer de nouvelles stratégies d’ablation et ouvrent des perspectives analytiques encourageantes en terme de sensibilité et de mode de quantification. Le potentiel de ce prototype a été évalué au travers d’analyses fondamentales, telles que le fractionnement élémentaire et l’étude de la taille des particules de l’aérosol produit par ablation, et de différentes applications telles que l’analyse de sols et de sédiments par dilution isotopique réalisée par le laser dans la chambre d’ablation, la détection de sélénoprotéines dans des gels d’électrophorèse et la détermination de l’isotopie de l’uranium dans des particules micrométriques.

Author: Guillaume Bonamis
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Ces deux dernières décennies, la technologie des lasers femtosecondes a considérablement gagné en maturité et en fiabilité. Ces impulsions permettent aujourd'hui de réaliser des procédés de micro-usinage avec des dommages thermiques minimes, autorisant ainsi de travailler avec une grande précision sur des matériaux fortement sensibles à la température. Néanmoins, l'implantation de cette technologie dans le marché des applications industrielles est freinée par une productivité insuffisante. Pour pallier à ce problème, les stratégies utilisées consistent en une optimisation des procédés et en l'obtention de puissances moyennes de plus en plus élevées avec ces sources laser. Une autre voie propose d'augmenter l'efficacité des procédés d'ablation en délivrant différemment l'énergie sur la matière : par rafales d'impulsions de faible énergie plutôt que par impulsions uniques de forte énergie.De récents travaux ont montré que l'utilisation de rafales d'impulsions à des cadences de l'ordre du GHz permet d'atteindre des niveaux d'efficacités supérieurs d'un ordre de grandeur à ceux de l'usinage par impulsions femtosecondes classique. Ces résultats encourageants sont néanmoins controversés, d'autres travaux ayant par la suite mis en évidence des niveaux d'efficacité en deçà des attentes mais aussi la présence de dommages thermiques sur les matériaux usinés. Une étude approfondie de ce potentiel nouveau procédé d'usinage est donc nécessaire afin de s'assurer d'une part qu'il présente bien un intérêt et d'autre part de mettre en évidence les conditions optimales pour son utilisation. Pour cela, différents oscillateurs optiques délivrant des rafales d'impulsions femtosecondes à des cadences de l'ordre du GHz ainsi que des amplificateurs ont été développées. Ces systèmes lasers innovants présentent une grande flexibilité sur les paramètres laser accessibles (cadence et énergie des impulsions, nombre d'impulsions par rafale notamment). Cette flexibilité nous a permis de mener une étude approfondie du procédé d'ablation par rafales GHz sous la forme de nombreux essais d'usinage sur des matériaux d'intérêts industriel. Cette étude a mis en évidence l'influence des différents paramètres laser et a ainsi permis d'expliquer l'inhomogénéité des résultats obtenus avec ce procédé et d'orienter l'utilisation de ce procédé dans des conditions favorables à l'obtention d'un usinage efficace et de bonne qualité.

Author: Maxime Lebugle
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Pages : 175

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Le micro-usinage de matériaux transparents est aujourd’hui un sujet d’intérêt mondial en recherche appliquée. L’emploi de lasers femtoseconde permet la micro-fabrication de composants optiques et de verres intelligents, ou la réalisation de cellules photovoltaïques. Dans ce contexte, cette thèse expérimentale se concentre sur l’absorption laser résolue en temps et en espace à la surface de matériaux diélectriques irradiés (silice fondue et saphir). Des impulsions femtoseconde (30 − 450 fs) dans l’infrarouge sont utilisées pour étudier l’efficacité de couplage de l’énergie laser pour l’ablation de matériaux dans un régime d’intensité intermédiaire (1-100 TW/cm2) lors de deux expériences. Un schéma pompe-sonde détermine la dynamique du plasma électrontrou à l’échelle femtoseconde et une expérience de déplétion laser mesure l’énergie absorbée. Une étude morphologique du matériau est réalisée, évaluant les seuils d’endommagement et d’ablation ainsi que les morphologies d’ablation. Nous établissons ensuite un bilan d’énergie de l’absorption laser responsable de l’enlèvement de matière. Les densités d’énergie typiques atteintes sont évaluées expérimentalement et confrontées à une modélisation avec propagation. Un excès de dépôt d’énergie par rapport à l’énergie de liaison du matériau au repos est mis en évidence, suggérant qu’un important chauffage du gaz d’électrons libres a lieu. Nous réalisons enfin une interprétation des données avec un regard technologique. Des guides à la réalisation de microsystèmes en régime d’ablation laser femtoseconde sont proposés, et démontrent l’intérêt d’impulsions sous 100 fs pour un procédé photonique.

Author: MURIELLE.. DUCREUX
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Pages : 221

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ACTUELLEMENT, L'ANALYSE ELEMENTAIRE DE NOMBREUX TYPES DE MATERIAUX EST EFFECTUEE PAR DES METHODES NECESSITANT UNE PREPARATION FASTIDIEUSE DES ECHANTILLONS (SPECTROMETRIE D'ABSORPTION ET D'EMISSION ATOMIQUE, FLUORESCENCE X, SPECTROMETRIE D'ARC), QUI PEUVENT INDUIRE DES CONTAMINATIONS OU DES PERTES. AUSSI, EXISTE-T-IL UNE FORTE DEMANDE POUR L'ANALYSE DIRECTE DE SOLIDES. PARMI LES DIVERSES METHODES ETUDIEES (DECHARGE LUMINESCENTE, SPECTROMETRIE ETINCELLE), LE COUPLAGE ABLATION LASER SPECTROMETRIE D'EMISSION ATOMIQUE ICP CONNAIT UN DEVELOPPEMENT CROISSANT. CETTE TECHNIQUE PRESENTE EN EFFET DES AVANTAGES CERTAINS: ANALYSE DE TOUT TYPE DE MATERIAU, CONDUCTEUR OU ISOLANT, CELLE-CI POUVANT ETRE GLOBALE OU PONCTUELLE DUE A LA POSSIBILITE DE FOCALISER LE FAISCEAU LASER A UN ENDROIT PRECIS DE LA CIBLE (EXCELLENTE RESOLUTION SPATIALE). LE PRINCIPE DE LA METHODE CONSISTE A UTILISER LE MECANISME D'ABLATION COMME SOURCE DE FINES PARTICULES QUI SONT TRANSPORTEES PAR UN COURANT D'ARGON DANS UN PLASMA DE TYPE ICP POUR ETRE ATOMISEES, EXCITEES ET IONISEES. LE FAISCEAU POLYCRHOMATIQUE RESULTANT EST DISPERSE PAR UN RESEAU EN RADIATIONS MONOCHROMATIQUES, QUI SONT ALORS DETECTEES PAR DIFFERENTS SYSTEMES RECEPTIFS: PHOTOMULTIPLICATEURS, DETECTEURS DE TYPE CCD L'EVALUATION DE LA TECHNIQUE POUR L'ANALYSE QUANTITATIVE DES VERRES CONSTITUE L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL. COMPTE-TENU DE LA TRANSPARENCE DE CES MATERIAUX DANS LES DOMAINES DU VISIBLE ET DU PROCHE INFRAROUGE, DES LASERS EMETTANT DANS L'ULTRAVIOLET ONT DUS ETRE UTILISES: UN LASER EXCIMERE DE TYPE XECL ET UN LASER ND:YAG TRIPLE ET QUADRUPLE EN FREQUENCE EMETTANT RESPECTIVEMENT A 308, 355 ET 266 NM. L'ETUDE DE L'INTERACTION LASER-MATIERE (QUANTITES DE MATIERE ABLATEES, FORMES ET DIMENSIONS DES CRATERES,) A PERMIS DE COMPARER CES DIFFERENTES SOURCES D'INTRODUCTION D'ECHANTILLON DANS LE PLASMA, ET D'EXPLIQUER LES DIFFERENCES DE PERFORMANCES ANALYTIQUES (REPETABILITE, REPRODUCTIBILITE, JUSTESSE, LIMITES DE DETECTION) OBTENUES POUR CHACUNE. LE DOMAINE D'APPLICATION DE LA METHODE A PU EGALEMENT ETRE ETENDU GRACE A DES ETUDES PRELIMINAIRES CONCERNANT L'ANALYSE DE SURFACES DE FAIBLES EPAISSEURS, L'ANALYSE SEMI-QUANTITATIVE DE VERRES ET DE MATIERES PREMIERES, L'ANALYSE QUALITATIVE DE DEFAUTS

Author: David Bruneel
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Le développement actuel de la technologie induit une constante nécessité d'obtenir des tailles de plus en plus petites pouvant descendre jusqu'à des dimensions micrométriques et sub -micrométriques. L'ablation laser, qui a le grand avantage d'un enlèvement de matière très précis, est un candidat prometteur. Dans cette thèse on démontre la faisabilité de tirer avantage des impulsions laser femtosecondes avec la matière pour la micro et nano structuration, et ceci en ayant développé une machine compacte de grande précision et flexibilité. Une approche théorique comparant les régimes d'interaction à haute et basse cadence est présentée. Des investigations de l'efficacité du temps de procédé aussi bien que l'effet de la cadence pendant l'ablation de métaux ont été effectuées. Le potentiel de l'outil multifonctionnel couplé avec un oscillateur laser femtoseconde à haute cadence est montré pour différentes applications en biotechnologie. Les résultats sur la cartographie d'une large zone aussi bien que la nano découpe de précision de tissus biologiques et de matériaux variés sont présentés. Cet outil polyvalent couvre de larges domaines de recherche de la nano découpe d'échantillons biologiques aussi bien que la nanostructuration de différents types de matériaux. C'est d'un grand intérêt pour de nombreuses applications en science des matériaux, nanobiotechnologie et nanomédecine.

Author: Rémi Meyer
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Pages : 214

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L'utilisation d'impulsions ultrabrèves pour l'usinage laser permet une grande précision du dépôt d'énergie grâce à un fort confinement de l'interaction laser-matière. Les effets non-linéaires liés à ce confinement sont aussi usuellement responsables de distorsions et d'instabilités dans le profil d'intensité lors de la propagation. Les faisceaux de Bessel à hauts angles coniques ont démontré être très performants pour l'usinage des diélectriques grâce à leur robustesse aux effets non-linéaires. En régime femtoseconde, ils permettent alors de générer dans les milieux transparents des nanocanaux à haut rapport de forme par tirs uniques dans les milieux transparents. Cependant la dynamique d'ablation et le couplage de l'impulsion avec le plasma induit sont encore peu compris dans ce cadre, et le modèle courant les décrivant reste incompatible avec les observations expérimentales. Cette thèse a pour objectif d'étudier cette interaction et se divise en deux axes de travail. Le premier axe porte sur la caractérisation de l'interaction laser-matière dans les milieux transparents pour le cas des faisceaux de Bessel femtoseconde grâce au développement et à l'exploitation d'une expérience pompe-sonde interférométrique. Nous mesurons la dynamique du plasma via les modifications d'indice de réfraction qu'il induit, résolues dans le temps et l'espace. Les résultats préliminaires obtenus montrent que le plasma est confiné dans un rayon inférieur à un micron et que la densité du plasma approche de la densité critique pour une énergie proche du seuil de formation de nanocanaux. Dans un second axe, nous travaillons sur l'effet d'un alignement de nanocanaux sur la fracture d'échantillons de verre et les applications des faisceaux de Bessel pour le clivage du verre. Nous levons ici deux limites principales concernant la qualité de fracture, en optimisant le profil spatial du faisceau. Nous montrons que l'utilisation de faisceaux de Bessel elliptiques améliore considérablement la qualité de clivage pour les plaques de verre minces (150 μm), et nous établissons une preuve de principe de clivage du verre de grande épaisseur (10 mm) en un seul passage sous le laser grâce à l'utilisation d'un dispositif composé de 3 axicons.

Author: Matthieu Guillermin
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Pages : 244

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Ce travail vise à accroître la compréhension et la maîtrise des processus d'ablation laser en régime femtoseconde en s'appuyant sur l'étude de l'émission optique du panache de matière ablatée par des impulsions de fluence laser et de forme temporelle contrôlées. Le chapitre 1 consiste en une synthèse de la bibliographie sur l'ablation en régime femtoseconde. Les conséquences induites sur les produits de l'ablation et sur la formation du plasma sont abordées. L'ensemble du dispositif expérimental mis en jeu dans cette étude est présenté au chapitre 2. Les chapitres 3 et 4 présentent les résultats de l'étude des panaches d'ablation induits à partir de cibles d'aluminium et de laiton. Une attention particulière est portée à l'influence de la mise en forme temporelle des impulsions et plusieurs optimisations de l'interaction sont décrites. Dans le cas de l'aluminium, les données expérimentales sont confrontées aux résultats de simulations numériques afin de proposer des schémas d'interprétation du phénomène d'ablation et de sa réponse à la mise en forme temporelle des impulsions laser. Ces études ont permis de montrer la possibilité de modifier le couplage énergétique entre les impulsions laser et la cible irradiée, d'influencer les proportions de matière éjectée sous forme liquide et sous forme atomisée, de contrôler l'état d'excitation du panache d'ablation et enfin de maîtriser la génération de micro et nanoparticules. Le chapitre 5 clôture ce travail par une analyse de la structuration périodique induite à la surface de cibles métalliques en régime femtoseconde puis en fonction de la forme temporelle employée pour le dépôt énergétique

Author: Gabriel Amiard Hudebine
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Cette thèse en deux parties porte sur le développement de sources lasers nano et picosecondes et leurs applications. La première partie présente l'étude, et la réalisation d'une chaîne amplificatrice laser nanoseconde pour l'allumage de turbomoteurs. Après avoir présenté les performances et l'évolution de cette chaîne seront présentes les résultats des campagnes d'essais réalisées sur une chambre de combustion sur un banc d'essai à l'ONERA dans des conditions de basses températures et de basses pressions. La deuxième partie de cette thèse traite du développement d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) nécessaire pour accorder en longueur d'onde dans l'infrarouge un laser impulsionnel picoseconde ou femtoseconde à haute cadence et forte puissance moyenne. Après avoir présenté la cavité de l'OPO ainsi que ses performances, nous détaillerons la capacité de cet OPO à générer des impulsions femtoseconde comprimées à partir d'impulsions pompe présentant un étirement temporel.

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Publisher: Ed. Techniques Ingénieur
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Pages : 16

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Author: Pascal Paradis
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Le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen a soulevé beaucoup d'intérêt en recherche au cours des deux dernières décennies. Ces sources laser sont particulièrement intéressantes pour la télédétection de gaz atmosphériques, pour le diagnostic médical, pour la découpe de tissus biologiques, pour le traitement des matériaux et pour les applications en défense et sécurité. Cependant, elles ne sont pas encore suffisamment robustes et fiables pour permettre leur utilisation à grande échelle. Cette thèse se concentre donc sur le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant autour de 2.8 μm avec une architecture tout-fibre adaptée pour les applications nécessitant des systèmes robustes pouvant être déployés dans des environnements non contrôlés. Ainsi, ces lasers sont également intéressants pour l'usinage laser et les applications biomédicales ainsi que pour les applications en défense et sécurité. Le chapitre 1 présente l'état de l'art des lasers à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen, autant en régime continu qu'en régime impulsionnel, et les défis technologiques à relever pour leur permettre de percer dans les différentes applications d'intérêt. Ensuite, le premier laser impulsionnel à commutation du gain ayant une architecture tout-fibre émettant dans l'infrarouge moyen est présenté au chapitre 2. Celui-ci génère des impulsions aussi courtes que 170 ns avec une énergie par impulsion de 80 μJ à un taux de répétition de 140 kHz. Au chapitre 3, le développement d'un nouvel absorbant saturable à partir d'une fibre en silice dopée au dysprosium a permis la commutation des pertes d'un laser tout-fibre émettant des impulsions à 2.8 μm avec une durée de 240 ns et une énergie de 4.9 μJ à un taux de répétition de 140 kHz. Pour y arriver, un réseau de Bragg à pas variable hautement réflectif inscrit dans l'absorbant saturable en silice est utilisé de façon novatrice pour l'infrarouge moyen. Nous avons aussi optimisé la technique d'épissure entre une fibre en silice et une autre en verre fluoré pour obtenir une bonne transmission monomode. Finalement, le chapitre 4 présente les effets des paramètres d'un réseau de Bragg uniforme à large bande spectrale, de la longueur de la fibre active et d'un combinateur de pompe fibré sur les performances d'un laser à fibre optique émettant des impulsions aussi courtes que 15 ps à 2.8 μm par synchronisation modale à l'aide d'un SESAM. Les résultats obtenus dans cette thèse ouvrent la porte au déploiement des lasers impulsionnels émettant dans l'infrarouge moyen pour les applications ciblées.