Théorie et simulation de l'interaction des impulsions laser ultracourtes à flux modéré avec un solide métallique

par Jean-Philippe Colombier

Thèse de doctorat en Optique

Sous la direction de Eric Audouard.

Soutenue en 2005

à Saint-Etienne .


  • Résumé

    Les systèmes laser ultracourts concentrent une énergie de quelques microjoules dans une impulsion d'une centaine de femtosecondes, de telle sorte que les intensités atteignent 1012 à 1015 W/cm2. Lors de l'irradiation d'un métal, la matière est éjectée du milieu d'origine avec une très grande précision, ce qui confère au système des qualités indéniables pour des applications industrielles. Dans ce travail, nous avons adopté une démarche théorique en proposant une modélisation et une simulation des effets engendrés par ce type d'impulsion. La mise en mouvement ultrarapide des électrons libres insuffle une dynamique puissante de destruction du métal. Des modèles optiques, thermiques et hydrodynamiques adaptés, réalisant la transition entre l'état dégénéré de la matière condensée vers un régime plasma chaud non-dégénéré, sont ici développés. Nous les avons insérés dans un code Lagrangien de simulation hydrodynamique. Nous montrons que des états thermodynamiques extrêmes, hors d'équilibre, peuvent être engendrés et nous avons comparé les taux d'ablation obtenus aux résultats d'expérience. Une conductivité électrique hors d'équilibre a également été développée afin de rendre compte des effets produits par la dynamique électronique sur les propriétés d'absorption optique. Plusieurs types d'expériences numériques, impliquant notamment des dispositifs pompe-sonde, sont ensuite exposés afin d'améliorer notre compréhension des processus de transport (électron-électron et électron-phonon) dans ce régime. Nous avons enfin appliqué cette modélisation aux effets produits par une impulsion mise en forme temporellement afin d'optimiser les expériences d'ablation.

  • Titre traduit

    Theory and simulation of the interaction of ultrashort laser pulses with metallic solids for moderate intensities


  • Résumé

    Ultrashort laser systems focuses an energy of few microjoules within a pulse of hundred of femtoseconds, so that intensities reach 1012 to 1015 W/cm2. Such ultrashort laser pulses allows accurate metal micro-machining and provides first rate beam parameters for industrial purpose. In this thesis, we propose a theoretical approach to model and simulate the effects induced by such an impulsion. The ultrafast electronic response drives a strong damage dynamic of the metal lattice. We have developped several models to describe the optical, thermal and hydrodynamical phenomena involved in a material irradiated by a femtosecond laser. Special cares have been devoted to the physical descriptions of the phase transition between the degenerated condensed cold phase and the hot non degenerated plasma. These models have been implemented into a 1-D Lagrangian hydrodynamic code. Comparison between computed ablation rates and experimental results shown good agreements. We also discuss the existence of extreme out of equilibrium states. An original electrical conductivity model is also set up to take into account the effects of the electron dynamics on the optical properties. Several numerical experiments involving, among others, pump-probe diagnostics, are performed to improve our transport processes (electron-electron and electron-phonon) knowledge in this field. Finally, in order to enhance ablation rate, we used our model to examine temporal pulse shaping effects.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (vi-215 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 203-215

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  • Bibliothèque : Université Jean Monnet. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS 50728
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