Etude numérique et expérimentale de l'expansion du plasma induit par ablation laser sous atmosphère neutre PDF Download
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Author: Hieu Chinh Le Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 610
Book Description
CETTE THESE PORTE SUR LA SIMULATION 2-D DE L'EXPANSION DU PLASMA INDUIT PAR ABLATION LASER SOUS ATMOSPHERE NEUTRE. L'EXPANSION DU PLASMA EST REGIE PAR LE SYSTEME DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES DONT LA RESOLUTION ALGORITHMIQUE PASSE PAR DES METHODES AUX DIFFERENCES FINIES EXPLICITES A CORRECTION DE FLUX (FCT). L'INFLUENCE DE LA NATURE ET DE PRESSION DU GAZ DE COUVERTURE SUR LA CINETIQUE D'EXPANSION DU PLASMA EST CLAIREMENT MISE EN EVIDENCE. LA COMPARAISON ENTRE SIMULATIONS NAVIER-STOKES ET EULER DEMONTRE L'INTERET DE LA SOLUTION NAVIER-STOKES POUR LA MODELISATION CORRECTE DE L'INTERPENETRATION ET LA REDEPOSITION DES ESPECES ABLATEES SUR LA CIBLE. CETTE ETUDE NUMERIQUE EST EPAULEE PAR UNE SOLIDE EXPERIMENTATION BASEE SUR LA SPECTROSCOPIE DE TEMPS DE VOL ET SUR LA MESURE DES TEMPERATURES DES ESPECES PRODUITES DANS LE PLASMA PAR FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER. CES TRAVAUX ONT ETE REALISES A L'AIDE D'UN LASER IMPULSIONNEL U.V. SUR UN SEUL MATERIAU, D'UN GRAND INTERET POUR LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES, LE SILICIUM.
Author: Hieu Chinh Le Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 610
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CETTE THESE PORTE SUR LA SIMULATION 2-D DE L'EXPANSION DU PLASMA INDUIT PAR ABLATION LASER SOUS ATMOSPHERE NEUTRE. L'EXPANSION DU PLASMA EST REGIE PAR LE SYSTEME DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES DONT LA RESOLUTION ALGORITHMIQUE PASSE PAR DES METHODES AUX DIFFERENCES FINIES EXPLICITES A CORRECTION DE FLUX (FCT). L'INFLUENCE DE LA NATURE ET DE PRESSION DU GAZ DE COUVERTURE SUR LA CINETIQUE D'EXPANSION DU PLASMA EST CLAIREMENT MISE EN EVIDENCE. LA COMPARAISON ENTRE SIMULATIONS NAVIER-STOKES ET EULER DEMONTRE L'INTERET DE LA SOLUTION NAVIER-STOKES POUR LA MODELISATION CORRECTE DE L'INTERPENETRATION ET LA REDEPOSITION DES ESPECES ABLATEES SUR LA CIBLE. CETTE ETUDE NUMERIQUE EST EPAULEE PAR UNE SOLIDE EXPERIMENTATION BASEE SUR LA SPECTROSCOPIE DE TEMPS DE VOL ET SUR LA MESURE DES TEMPERATURES DES ESPECES PRODUITES DANS LE PLASMA PAR FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER. CES TRAVAUX ONT ETE REALISES A L'AIDE D'UN LASER IMPULSIONNEL U.V. SUR UN SEUL MATERIAU, D'UN GRAND INTERET POUR LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES, LE SILICIUM.
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L’ablation laser dans l’air à la pression atmosphérique est souvent appliquée dans l’industrie, l’analyse chimique, la chirurgie, ... Pour un développement plus approfondi des technologies laser basées sur l’effet d’ablation, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l’origine de l’interaction laser-matière. Lors d’un impact du faisceau laser sur la surface d’un matériau, une plume plasma se forme au dessus de la cible. Ce plasma contient des électrons, des atomes et des ions du matériau évaporé, ainsi que du gaz ambiant, s’il est présent. Lors de l’impulsion laser, cette plume absorbe une grande partie d’énergie du faisceau laser, réduisant ainsi la quantité du rayonnement laser qui arrive à la surface de la cible. Les dimensions, ainsi que les paramètres de cette plume plasma évoluent très rapidement avec le temps. L’étude de la dynamique et des paramètres de cette plume est très importante, parce qu’ils influent sur tous les processus physiques ayant lieu à la surface du matériau traité. Nous avons étudié l’expansion de la plume plasma formée lors de l’ablation des échantillons métalliques (Al, Ti, Fe) par faisceau laser Nd :YAG nanoseconde (durée d’impulsion : 5.1 ns, longueur d’onde : 1064 nm, irradiance de l’ordre de grandeur de GW/cm2) dans l’air à la pression atmosphérique en utilisant la technique d’imagerie rapide. Cette technique nous a permis d’observer l’évolution spatio-temporelle de la plume au début de son expansion. Les résultats obtenus indiquent que la plume d’ablation laser a une structure : deux régions ont été distinguées – le cœur et la périphérie de la plume. La dynamique de ces deux régions de la plume a été étudiée et les vitesses de leur expansion ont été déterminées. En plus, nous avons examiné l’influence de l’irradiance laser, ainsi que l’influence de la composition de la cible sur la dynamique de la plume. D’autre part, nous avons développé des modèles numériques sous COMSOL Multiphysics pour simuler le processus d’ablation laser. Un modèle thermique a été utilisé pour simuler l’interaction laser – cible. Les résultats de ce modèle ont été employés comme conditions à la limite du modèle hydrodynamique, utilisé pour simuler l’expansion de la plume du plasma dans l’air ambiant. Deux approches ont été proposées : approche microscopique et macroscopique. Les résultats de simulation basée sur l’approche macroscopique donnent l’évolution temporelle et distribution spatiale (1D) des paramètres de la plume : masse volumique, vitesse, pression.
Author: Patrick Vigliano Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 544
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ETUDE DE LA PROPAGATION A TRAVERS L'ATMOSPHERE D'IMPULSIONS LASERS DE GRANDE PUISSANCE A LA LONGUEUR D'ONDE 10,6 MU M. PRINCIPAUX MECANISMES QUI ALTERENT LA TRANSMISSION D'ENERGIE LASER A TRAVERS L'ATMOSPHERE DANS LE CAS DES BASSES ET MOYENNES PUISSANCES EN REGIME CONTINU ET IMPULSIONNEL. ETUDE DU MECANISME DE CLAQUAGE OPTIQUE SURVENANT LORS DE LA PROPAGATION DE GRANDE DENSITE D'ENERGIE LASER. ETUDE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE SUR L'EXPANSION DU PLASMA CREE PAR LASER
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Ce travail présente une étude originale de l'interaction laser-matière en régime nanoseconde à l'aide d'une double approche expériences-modélisation numérique. L'approche expérimentale vise à caractériser les plasmas produits par laser et l'empreinte laissée par le faisceau laser sur la cible. L'approche numérique s'appuie sur un modèle 1D qui permet de décrire le chauffage de la cible par le laser, l'ablation de matière et la formation d'un plasma dans cette matière ablatée dûe à l'interaction avec le laser. Des comparaisons des résultats obtenus par les deux approches permettent d'évaluer le degré de précision des résultats issus du modèle. Ces comparaisons se limitent aux 100 premières nanosecondes d'expansion du plasma. Nous montrons ainsi que le modèle décrit assez bien l'écrantage du faisceau laser par le plasma, l'expansion du plasma et la propagation de l'onde de choc dans le gaz ambiant. De plus, les valeurs des seuils d'ablation et de formation du plasma sont calculées avec une bonne précision. En revanche, des écarts sont constatés pour la modélisation des processus d'interaction entre le laser et la cible. Le degré de précision du modèle est au final suffisamment bon pour nous permettre d'étudier précisément l'effet du gaz ambiant sur les propriétés et la dynamique du plasma.
Author: Santo Gammino Publisher: World Scientific ISBN: 9812389431 Category : Science Languages : en Pages : 243
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"The First International Meeting on Pulsed Plasma Laser Ablation, PPLA2003, was held in Messina and Catania on 18 and 19 September 2003"--Pref.
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Cette thèse constitue une étude théorique et numérique de la détente d'un plasma dans le vide. Elle fournit une compréhension globale des mécanismes d'expansion de plasmas avec une fonction de distribution des électrons bi-Maxwellienne (avec une température d'électrons " chaude " et une température " froide "). Dans la première partie, on étudie les caractéristiques (amplitude, position, structure microscopique, etc) du choc de raréfaction qui apparaît dans le plasma si le rapport des températures chaude et froide est supérieure à 9.9. Cette étude est réalisée avec un modèle semi-infini; le plasma est une source infinie de particules et d'énergie. Les expressions analytiques des grandeurs de l'écoulement sont établies. Le comportement de la structure du plasma pour les différents régimes d'expansion est précisé. Les effets du choc de raréfaction sur l'accélération des ions sont brièvement étudiés. Les simulations numériques effectuées avec un code hybride 1-D sont comparés aux résultats du modèle analytique. Dans la seconde partie, on évoque l'expansion d'une feuille mince avec un code cinétique unidimensionnel. Contrairement au modèle de plasma semi-infini, la fonction de distribution des électrons n'est pas maintenue Maxwellienne dans le temps, mais sa dynamique est gouvernée par l'équation de Vlasov. Cette description permet de tenir compte des transferts d'énergie entre les composantes chaude, froide et les ions. Les résultats de ce code sont utilisés pour comprendre le chauffage initial des électrons froids qui se produit dans les plasmas dominés initialement par les électrons chauds. Une expression de la température froide au cours de l'accélération de l'onde de raréfaction est établie. Pour un plasma avec des paramètres initiaux similaires à ceux obtenus lors de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense avec une cible, on met en évidence un refroidissement global des électrons sur des échelles de temps différentes, puis une réduction de l'amplitude du choc de raréfaction (et du creusement du spectre des ions)
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DANS CE MEMOIRE, NOUS PRESENTONS UNE ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE L'HYDRODYNAMIQUE D'EXPANSION DU PLASMA, AINSI QU'UNE MODELISATION NUMERIQUE PAR ELEMENTS FINIS DU TRANSFERT DE CHALEUR DANS LE MATERIAU IRRADIE. POUR CELA, NOUS AVONS UTILISE UN LASER A CO#2 IMPULSIONNEL POUR IRRADIER DIFFERENTS METAUX (ALLIAGES D'ALUMINIUM AU4G ET DE TITAN TA6V AINSI QUE DES ACIERS 304L ET 35NCD16) AYANT PLUSIEURS ETATS DE SURFACES AVEC UNE INTENSITE MOYENNE DE 3 MW/CM#2. L'INTERACTION SE DEROULANT DANS UNE AMBIANCE GAZEUSE VARIABLE (HELIUM, AZOTE, ARGON) A LA PRESSION ATMOSPHERIQUE. UNE ETUDE DE LA DYNAMIQUE DE L'EXPANSION DU PLASMA, BASEE SUR UNE TECHNIQUE DE VISUALISATION SELON LE PRINCIPE DE L'INTERFEROMETRE DE MACH-ZEHNDER, NOUS A PERMIS DE DETERMINER L'INFLUENCE DES CONDITIONS D'IRRADIATION SUR LES DIFFERENTS REGIMES HYDRODYNAMIQUES OBSERVES. D'AUTRE PART, LA MESURE DE L'ENERGIE ABSORBEE PAR L'ECHANTILLON A MIS EN EVIDENCE UNE CORRELATION ENTRE LE COEFFICIENT DE COUPLAGE THERMIQUE ET LA NATURE DE L'ONDE D'ABSORPTION. UNE SECONDE ETUDE, REPOSANT SUR LE PRINCIPE DE LA PHOTOMETRIE, NOUS A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LES PROPRIETES ABSORBANTES DU PLASMA. CES RESULTATS SONT EN BON ACCORD AVEC CEUX DEDUITS DE L'ETUDE HYDRODYNAMIQUE. ENFIN UNE MODELISATION NUMERIQUE NOUS PERMET DE DETERMINER LE CHAMP DE TEMPERATURE DANS LE MATERIAU IRRADIE, MAIS AUSSI LA PROPAGATION DU FRONT DE FUSION DANS LA MASSE METALLIQUE. CETTE MODELISATION PREND EN COMPTE LE CHANGEMENT DE PHASE SOLIDE-LIQUIDE SELON LA METHODE DE LA CAPACITE CALORIFIQUE EQUIVALENTE
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Cette thèse porte sur l'utilisation et la caractérisation de l' ablation laser et du plasma induit par laser dans un contexte d'analyse chimique. Différents efforts d' optimisation des techniques d' ablation laser couplée à la spectrométrie d' ionisation assistée par laser (LALEI) et de spectrométrie de plasma induit par laser (LIBS) ont mené à l'obtention d' excellents résultats analytiques pour des échantillons poudreux. Divers aspects importants en analyse, comme la possibilité d' utiliser des étalons solides à concentration ajustable, l'importance de l'homogénéité dans la distribution des analytes, l'importance de disposer d' étalons dont la matrice est similaire à celle des échantillons ou d'être en mesure de corriger les signaux obtenus avec des matrices différentes et l'influence de l'environnement gazeux sur la dynamique d'expansion du plasma et sur la rapidité de perçage d'une cible, ont été étudiés. Grâce entre autre à la technique de shadowgraphy (qui a aussi servi à évaluer l' influence de l'environnement gazeux), l'éjection de particules a été observée lors des premières microsecondes suivant l'ablation de cibles poudreuses préparées· sous formes de pastilles et a permis de comparer trois types d'étalons solides préparés dans le laboratoire à partir de sol-gels.
Author: Hieu Chinh Le
Author: Hieu Chinh Le
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Author: Mihaela Cirisan
Author: Patrick Vigliano
Author: Guillaume Clair
Author: Santo Gammino
Author: Abdourahmane Diaw
Author: Christophe Dumas
Author: Jean-François Gravel