Temporal and spatial characteristics of laser-induced plasma on organic materials and quantitative analysis of the contained inorganic elements

par Wenqi Lei

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jin Yu et de Heping Zeng.

Le jury était composé de Nicole Delépine-Gilon, Chunyan Hua, Vincent Motto-Ros, Jian Wu.

Les rapporteurs étaient Bruno Bousquet, Jean-Marie Jouvard.

  • Titre traduit

    Caractéristiques temporelles et spatiales de plasma induit par laser sur des marériaux organiques et analyse quantitative des éléments minéraux contenus


  • Résumé

    Ce travail de thèse a été consacré à la compréhension du plasma induit par laser sur des matériaux organiqueset à l’application de la technique de laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) à l’analyse quantitative deces matériaux. L’ensemble des travaux contribue donc à approfondir notre connaissance sur les mécanismesphysiques impliqués dans l’interaction laser-matière, dans la génération du plasma et dans l’évolution decelui-ci au cours de son expansion dans le gaz ambiant avec la spécificité de s’adresser à des plasmas induitssur des cibles organiques. Ces travaux visent également à améliorer la performance de la LIBS pour l’analysede matériaux organiques. La spécificité concernant la cible organique répond au besoin actuel de lacommunauté internationale travaillant sur le développement de la LIBS, de mieux maîtriser le plasma induitsur ce genre de matériau qui présente des propriétés optiques bien spécifiques par rapport à des matériauxmieux connus pour l’ablation laser tels que des métaux. Elle répond également au besoin grandissant d’utiliserla technique LIBS aux matériaux organiques pour des applications dans les domaines environnementaux,agroalimentaires, ou encore biomédicaux. Ce mémoire de thèse a été rédigé selon l’organisation suivante. Après l’Introduction Générale qui préciseles contextes scientifiques et technologiques, le Chapitre I rappelle les principes de base nécessaires à lacompréhension du phénomène de génération de plasma par ablation laser, et de l’évolution de celui-ci dans ungaz ambiant. L’accent a été mis sur l’ablation des matériaux organiques. Les procédures et les techniques dediagnostic du plasma induit par laser sont ensuite présentées en insistant sur la nature transitoire etinhomogène d’un plasma en expansion. Le chapitre II s’intéresse à la génération et l’évolution du plasmainduit sur la peau d’une pomme de terre, un échantillon typique de produit agroalimentaire. La caractéristiquedu plasma induit sur une cible organique molle et humide, comme une pomme de terre fraîche était quelquechose d’inconnu au démarrage de la thèse et constituait une base nécessaire à l’analyse quantitative deséléments métalliques en traces et ultra-traces contenus dans un tel échantillon. A l’issue de cettecaractérisation, les données analytiques semi-quantitatives ont été extraites des spectres LIBS correspondant àla peau d’une pomme de terre. Le Chapitre III se situe dans la continuité du Chapitre II pour l’application de laLIBS à des matériaux organiques. Une étude comparative d’analyse de la poudre de lait par la LIBS et parl’ICP-AES permet une évaluation de la performance d’analyse quantitative de la LIBS pour des échantillonsorganiques, et une validation de la procédure CF-LIBS. A la différence des Chapitres II et III où les élémentsde traces métalliques étaient au centre de notre attention, le Chapitre IV étudie le comportement des élémentsmajeurs qui composent la matrice d’un matériau organique, qui sont les 4 éléments organiques, H, C, O, N. Ala décomposition d’un matériau organique par ablation laser, ces éléments peuvent se présenter sous la formede fragments moléculaires, ou encore se recombiner en des espèces moléculaires. Nous étudions alors dans ceChapitre l’évolution de ces espèces en fonction des paramètres du laser utilisé, et notamment la longueurd’onde. Le mémoire se termine par une conclusion générale et des perspectives.


  • Résumé

    This PhD work was devoted to the understanding of the laser-induced plasma on organic materials and theapplication of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) to quantitative analysis of these materials. Itcontributes to deepen our knowledge on the physical mechanisms involved in laser-matter interaction, plasmageneration, evolution and expansion of the plasma into the ambient gas, with emphasis on plasmas induced onorganic targets. It also intends to improve the performance of LIBS for the analysis of organic materials. Thespecificity for organic targets fits the current focus of the international community working on LIBS, toimprove the control of the plasma induced on this kind of material which has a distinguished optical prosperitywith respect to that of metals, better known for laser ablation. It addresses also the growing need to apply theLIBS technique to organic materials for different applications in the environmental, food, or biomedicaldomains. The works in this thesis were therefore presented in this thesis document according to the followingorganization.After the General Introduction which introduces the scientific and technological contexts, Chapter Irecalls the basic theoretical elements necessary to understand the phenomenon of plasma generation by laserablation, and its evolution in the background gas. Ablation of organic material is emphasized. Procedures andtechniques of diagnostics of laser-induced plasma were then presented with a focus on the transient andinhomogeneous nature of the expanding plasma. Chapter II focuses on the generation and the evolution of theplasma induced on the skin of a potato, a typical sample of agricultural product. The characteristics of plasmainduced on a soft and wet organic target, such as a fresh potato, was something unknown when the thesis workstarted. These characteristics provide the necessary basis for the quantitative analysis of the trace andultra-trace metallic elements in these samples. Following this characterization, semi-quantitative analyticalresults were extracted from LIBS spectra corresponding to potato skin. Chapter III is presented in thecontinuity of Chapter II for the application of LIBS to the quantitative analysis of organic materials. Acomparative study on the analytical results with LIBS and ICP-AES for milk powders allows an assessment ofthe performances of quantitative analysis by LIBS for organic materials, and a validation of the CF-LIBSprocedure that we have developed. Different from Chapters II and III where attention was paid to trace metalelements, Chapter IV studies the behavior of the major elements that make up the matrix of organic material,which are 4 known organic elements: H, C, O, N. During the decomposition of organic material by laserablation, these elements can be found in the form of molecular fragments, or recombined into molecularspecies. We then study in this Chapter the evolution of these species as a function of the laser ablationparameters, the laser wavelength in particular. The thesis document ends with a general conclusion andoutlooks.


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