Laser-induced plasma as a function of the laser parameters and the ambient gas

par Xueshi Bai

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jin Yu.

Soutenue le 15-12-2014

à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Institut Lumière Matière (laboratoire) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Amanda Jane Ross.

Le jury était composé de Vincent Motto-Ros, Nicole Delépine-Gilon, Jean-Marie Jouvard, Gilles Moutiers.

Les rapporteurs étaient Arnaud Couairon, Alessandro De Giacomo.

  • Titre traduit

    Plasma induit par laser en fonction des paramètres du laser et du gaz ambiant


  • Résumé

    La technique laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), qui consiste à exploiter le spectre du plasma induit par laser sur la surface de l'échantillon pour déterminer sa composition élémentaire, a été inventée il y a plus de 50 ans. Récemment, elle connaît un développement rapide, poussée par des besoins d'application dans différents domaines, citons par exemple, exploration océanique, détection de pollution environnementale, ou contrôle de procédés industriels. Cette technique utilise le plasma généré par ablation laser comme la source spectroscopique. La particularité de LIBS est que le plasma induit par laser présente un comportement transitoire et une distribution spatiale qui ne soit pas uniforme en général. Bien que la détection résolue en temps puisse améliorer considérablement la performance de LIBS, surtout pour le procédé de LIBS autocalibration avec une meilleure détermination de température, l'évolution temporelle du plasma est souvent corrélée avec sa morphologie et son inhomogénéité spatiale. L'étude de la morphologie ainsi que la structure interne du plasma avec l'évolution pendant l'expansion de celui-ci dans un gaz ambiant, représente donc un point crucial pour l'optimisation du plasma entant qu'une source spectroscopique. Suite à la thèse de Qianli Ma réalisée dans notre équipe et soutenue en décembre 2012, qui a été notamment consacrée à l'étude de l'effet de la longueur d'onde du laser d'ablation sur les propriétés et l'évolution du plasma dans un gaz ambiant d'argon, la présente thèse s'intéresse aux effets des autres paramètres, la fluence du laser d'ablation, la durée de l'impulsion, et les différents gaz ambiants (argon ou air), sur la morphologie et la structure du plasma. Par ailleurs, les mécanismes microscopiques conduisant à l'onde de détonation soutenue par laser dans argon ou dans l'air sont aussi étudiés. Lors du refroidissant du plasma dans l'air, des oxydes métalliques peuvent se former. L'étude de la formation de molécules, au-delà de l'intérêt pratique pour la LIBS, fournit également un aperçu de la cinétique chimique dans le plasma, ce qui est intéressant pour l'étude de la transformation du plasma en phase gazeuse à une phase recondensée de nanoparticules


  • Résumé

    Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been invented for more than 50 years, which analyzes the spectrum of the laser-induced plasma to determine the elemental composition of the ablated sample. Recently, LIBS technique has been well developed and applied in different domains, for example oceanic exploration, pollution monitoring in the environment. LIBS uses the ablation plasma as a light source that contains the elemental composition information of the sample. However, the laser-induced plasma exhibits a transient behavior. Although time-resolved and gated detection can greatly improve the performance of the LIBS technique especially that of calibration-free LIBS (CF-LIBS) with a better determination of plasma temperature, the temporal evolution of the plasma is correlated to its morphology and its spatial inhomogeneity. The determination of the morphology as well as the internal structure of the plasma together with their evolution during plasma expansion into the ambient gas is therefore crucial for the optimization of the use of ablation plasma as a spectroscopic emission source. Evolutions of the morphology and the internal structure of the ablation plasma are considered as the consequence of its hydrodynamic expansion into the ambient gas. Following the thesis of Qianli Ma which has studied the effect of laser wavelength on the behavior of the plasma induced in an ambient gas of argon, the present thesis has used the same diagnostic techniques (time- and space-resolved emission spectroscopy and fast spectroscopic images) together with 1064 nm ns laser pulse ablation of a target of aluminum to investigate the effects of other parameters, such as the fluence and the duration of laser pulse, the effect of different ambient gases (argon and air), on the morphology and internal structure of the plasma. Furthermore, in order to understand the effects of these parameters on the properties of the plasma, the microscopic mechanisms during post ablation and the propagation of the plasma are also studied. While the plasma cools down in air, molecules are formed, AlO for instance. So the thesis also studied the condition for the formation of the molecules in the plasma. Beyond the practical interest of this study for LIBS, it provides also insights to the kinetics of the AlO molecule formation in laserinduced plasma

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