Etude des plasmas générés par interaction laser-matière en régime confiné : application au traitement des matériaux par choc laser

par Arnaud Sollier

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Rémy Fabbro.

Soutenue en 2002

à Versailles-St Quentin en Yvelines .


  • Résumé

    Ce travail de thèse est consacré à l'étude des plasmas générés par interaction laser-matière en régime confiné, et plus particulièrement à leur application au traitement des matériaux par choc laser. Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans ce régime d'interaction particulier, une modélisation originale du procédé a été développée. Un code numérique traitant les processus de claquage dans l'eau de confinement permet dans un premier temps de déterminer les caractéristiques (intensité crête et durée à mi-hauteur) de l'impulsion laser transmise à travers la fenêtre de confinement. Un modèle hydrodynamique auto-consistant raitant les plasmas confinés (plasmas froids et denses, corrélés et partiellement dégénérés) utilise ensuite ces paramètres pour calculer les chargements mécaniques et thermiques induits à la surface de la cible traitée. Pour terminer, ces chargements sont utilisés en entrée du code aux éléments finis ABAQUS afin de simuler les contraintes résiduelles d'origine mécanique et thermique induites par le traitement. Les résultats de ces simulations ont été validés par comparaison avec différentes mesures expérimentales réalisées pour des conditions d'irradiation laser (longueurs d'ondes de 1064 nm et de 532 nm, durées d'impulsion de 3 ns et 10 ns) typiques des conditions opératoires réelles utilisées au niveau industriel. Ces résultats montrent que les petites taches focales permettent de limiter fortement le chauffage de la cible par le plasma confiné, et donc de s'affranchir des effets thermiques induits par le traitement. Ils ouvrent donc de nouvelles perspectives quant à la réalisation du traitement par choc laser sans utiliser de revêtement thermo-protecteur. Par ailleurs, ils permettant d'expliquer les résultats obtenus avec la configuration de traitement développée par Toshiba (très petites taches focales, haute cadence, pas de revêtement protecteur), qui demeuraient incompris jusqu'alors.

  • Titre traduit

    Study of the plasmas generated in confined laser-matter interaction regime : application to laser-shock processing of materials


  • Résumé

    In this work, we study the plasmas generated by laser-matter interaction in a water confinement regime, and more particularly, their application to laser-shock processing of materials. With the aim to get a better understanding of the physical processes involved in this particular interaction regime, an original modeling has been developed. First, a numerical code describing the breakdown process in water allows us to compute the characteristics (peak intensity and full width at half maximum pulse duration) of the laser pulse which is transmitted through the confinement window. These parameters are then used in an auto-consistent hydrodynamic model describing the confined plasmas (dense cold correlated and partially degenerated plasmas), in order to compute the thermal and mechanical loadings induced at the surface of the processed sample. Last, these loadings are used as input parameters in the FEM code ABAQUS to simulate the thermal and mechanical residual stresses induced by the process. The results of the simulations have been validated by comparison with various experimental measurements carried out with laser irradiation conditions (1064 nm and 532 nm wavelengths, 3 ns and 10 ns pulse durations) similar to those used for the industrial application of the process. These results show that small focal spot sizes allow to greatly reduce the heating of the target by the confined plasma, and thus to avoid the thermal effects induced by the process. This highlights the fact that such reduced focal spot sizes could be used in order to realize laser shock processing without any thermal rotective coating. Furthermore, they allow to explain recent results obtained with the process configuration eveloped by Toshiba (very small focal spot diameter, high repetition rate, no protective coating), which were not clearly understood until now.

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Informations

  • Détails : 297 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 254 REF. Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines. Direction des Bibliothèques et de l'Information Scientifique et Technique-DBIST. Bibliothèque universitaire Sciences et techniques.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : T020014
  • Bibliothèque : Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines. Direction des Bibliothèques et de l'Information Scientifique et Technique-DBIST. Bibliothèque universitaire Sciences et techniques.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 530.44 SOL
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