Investigation of Plasma Surface Interactions using Mueller Polarimetry

par Elmar Slikboer

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Gerrit Kroesen.

Soutenue le 26-11-2018

à Paris Saclay en cotutelle avec Technische hogeschool (Eindhoven, Pays-Bas) , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était E.J.E. Cottaar.

Le jury était composé de Gerrit Kroesen, Olivier Guaitella, Ana Sobota, Enric Garcia-Caurel.

Les rapporteurs étaient François Goudail, Erwin Kessels, Ronny Brandenburg.

  • Titre traduit

    L'Étude des Interactions Plasma-Surface en utilisant la Polarimètrie de Mueller


  • Résumé

    Cette thèse examine une nouvelle méthode de diagnostic, appelée Polarimètrie de Mueller, pour l’étude des interactions plasma-surface. Cette technique d’imagerie permet la caractérisation optique résolue en temps des cibles exposées au plasma. Les matrices de Mueller mesurées sont analysées en utilisant la décomposition logarithmique donnant des informations polarimétriques sur la diattenuation, la dépolarisation et la biréfringence. Cette dernière est exploitée en examinant des matériaux optiquement actifs afin d’identifier des aspects spécifiques de l’interaction avec le plasma, tels que les champs électriques ou la température de surface.Ce travail se concentre sur les cibles électro-optiques, qui permettent principalement la détection de champs électriques induits par la charge de surface déposée lors de l’interaction. La biréfringence est couplée analytiquement au champ électrique, en rapportant le retard de phase du faisceau sonde de lumière polarisée, à l’ellipsoïde d’index perturbé suivant l’effet Pockels. Grâce à cette approche analytique, les matériaux ayant des propriétés électrooptiques spécifiques peuvent être choisis de telle manière que toutes les composantes individuelles de champ électrique (axiales et radiales) induites à l’intérieur de l’échantillon soient imagées séparément. Pour la première fois les composantes du champ électriques peuvent être découplées permettant de mieux comprendre la dynamique du plasma proche d’une surface diélectrique.Cette technique est utilisée pour étudier l’impact d’ondes d’ionisation sur des surfaces. Ces décharges, générées par un jet de plasma à pression atmosphérique dans la gamme kHz, sont des plasmas froids filamentaires généralement utilisés pour des applications diverses telles que la fonctionnalisation de surface de polymères ou des traitements biomédicaux, mais les méthodes de diagnostic disponibles pour étudier les effets induits sur les surfaces sont limités. L’imagerie de polarimètrie Mueller appliquée aux cibles électro-optiques permet d’examiner les champs axiaux et radiaux en termes d’amplitude (3-6 kV/cm), d’échelles spatiales (<1mm axiales and <1cm radiales) et d’échelles temporelles (< 1μs pulsée and < 10μs CA) pour divers paramètres de fonctionnement du jet, e.g. amplitude de tension et gaz environnant.Simultanément à la biréfringence transitoire induite par le champ électrique, un signal de fond constant est également observé. Il est induit par la contrainte résultante du gradient de température induit à l’intérieur du matériau ciblé. Une relation analytique est obtenue en utilisant l’effet photo-élastique, permettant de développer une procédure de fitting pour retrouver la distribution de température. Cette procédure est utilisée, après calibration, pour montrer que la température de l’échantillon peut varier jusqu’`a 25 degrés par rapport aux conditions ambiantes – tandis que les changements dans le champ électrique sont également mesurés – et dépend de la fréquence de la tension d’alimentation AC du jet de plasma. La détermination précise de la température induite dans les cibles est importante car la plupart des applications visent des échantillons thermosensibles.Enfin, ce travail montre comment des échantillons complexes (aussi bien en terme d’état de surface que de composition chimique) peuvent être examinés lors d’une interaction plasma-surface, en les combinant avec une cible électrooptique. En raison de l’ajout d’un échantillon complexe, une composante de dépolarisation est ajoutée due à la diffusion du faisceau lumineux polarisé. Les changements de dépolarisation sont liés à l’évolution de l’échantillon complexe au cours du traitement par plasma. Ceux-ci, couplés aux champs électriques mesurés simultanément, fournissent un outil de diagnostic unique pour examiner les interactions plasma-surface. Cela a été appliqué à un cas test où une seule couche de cellules d’oignon est exposée aux ondes d’ionisation générées par le jet de plasma froid.


  • Résumé

    In this thesis, a new diagnostic method called Mueller Polarimetry is examined for the investigation of plasma-surface interactions. This imaging technique allows the time-resolved optical characterization of targets under plasma exposure. The measured Mueller matrices are analyzed by using the logarithmic decomposition providing polarimetric data on diattenuation, depolarization, and birefringence. The latter is used by examining materials that possess optically active behavior to identify specific aspects of the plasma interaction, e.g. electric fields or temperature.This work focusses on electro-optic targets, which primarily enables the detection of electric fields induced by surface charge deposited during the interaction. The birefringence is coupled to the externally induced electric field by analytically relating the phase retardance for the probing polarized light beam to the perturbed index ellipsoid, according to the Pockels effect. Through this analytical approach, materials with specific electro-optic properties can be chosen in such a way – together with the orientation of the Mueller polarimeter itself – that all the individual electric field components (axial and radial) induced inside the sample are imaged separately. This has never been done before and allows to better understand the plasma dynamics in the vicinity of a dielectric surface.It is used to investigate the surface impact by guided ionization waves generated by a kHz-driven atmospheric pressure plasma jet. These non-thermal filamentary discharges are generally applied to various samples for e.g. surface functionalization of polymers or biomedical treatment of organic tissues. However, available diagnostic tools are limited to study these interactions. Imaging Mueller polarimetry applied to electro-optic targets examines the axial and radial field patterns in terms of amplitude (3-6 kV/cm), spatial scales (< 1mm axial and <1cm radial), and timescales (<1μs pulsed and <10μs AC) for various operating parameters of the jet, for example voltage amplitude and surrounding gas.Simultaneous with the transient birefringence induced by the electric field, a constant background pattern is also observed. This results from strain induced by temperature gradients inside the targeted material. An analytical relation is obtained following the photo-elastic effect, which allowed a fitting procedure to be designed to retrieve the temperature pattern. This procedure is used after calibration to show that the temperature of the sample can vary up to 25 degrees relative to room conditions – while changes in the electric field are seen as well – depending on the operating frequency of the AC driven plasma jet. The accurate determination of the temperature is important since most applications involve temperature sensitive samples.Lastly, this work shows how complex samples (in terms of surface geometry and/or chemical composition) can be examined during a plasma-surface interaction. This is done by combining them with the electro-optic targets. Due to the addition of a (thin) complex sample, depolarization is added to the system through scattering of the polarized light beam. In-situ observed changes of depolarization relate to the evolution of the complex sample during the plasma treatment. This, coupled with the simultaneously monitored electric field patterns, provides a unique diagnostic tool to examine the plasma-surface interactions. This has been applied for a test case where a single layer of onion cells is exposed to the ionization waves generated by the non-thermal plasma jet.


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