Plusieurs critères peuvent être identifiés pour décrire la pression d’ablation. En première approche, on peut ainsi considérer que la pression d’ablation est la pression hydrostatique maximale dans l’empilement. Une seconde approche consiste à considérer l’ablation comme un processus résultant du changement d’état de la matière. Dans cette approche, on se base sur l’état de la matière dans les mailles pour définir l’en- droit dans lequel s’applique la pression d’ablation, en relevant la pression hydrostatique dans les mailles de transition solide/liquide ou liquide/vapeur. Enfin, une dernière approche s’appuie sur le principe de base de la pression d’ablation en relevant la pression hydrostatique à l’endroit où la vitesse matérielle s’inverse, ce qui suppose la distinction entre la cible en mouvement et la matière en éjection vers le laser.
On souhaite identifier ici quel est le critère qui permet de représenter le mieux le chargement appliqué à la cible par l’interaction laser-matière dans les deux régimes d’interaction de l’étude.
5.1.1 Régime Direct
Afin de définir au mieux la pression d’ablation en régime direct, on mène une étude numérique pour savoir quel critère est le plus adapté. Le principe de cette étude est de réaliser une simulation avec ES- THER avec l’impulsion laser comme terme source et on relève la vitesse de surface libre correspondante (vitesse de référence) (Figure3.30). Sur ce cas numérique, on relève également la pression d’ablation se- lon les différents critères précisés ci-dessous. En injectant parallèlement ces différents chargements comme terme source dans la cible et en comparant les vitesses de surface libre obtenues à la vitesse de référence (Figure3.30), on peut identifier quel critère permet de reproduire au mieux cette vitesse de référence. On estime ainsi que la pression générée avec ce critère est représentative du chargement appliqué par le laser et caractérise donc bien la pression d’ablation.
— Matériau : aluminium pur — Epaisseur : 200 µm
— Forme d’impulsion : Créneau — Longueur d’onde : 1064 nm — Durée d’impulsion : 12 ns
— Durée de la montée en intensité : 1 ns — Durée de la descente en intensité : 1 ns
arrière.
(a) (b)
Figure 3.30 – (a) Profils temporels d’impulsion laser (b) Vitesse de surface libre de référence obtenue avec l’impulsion laser
On fait varier les paramètres suivants : — Critères étudiés :
— Première maille liquide externe — Première maille liquide interne — Première maille solide externe — Première maille solide interne — Inversion vitesse externe — Inversion vitesse interne
— Pression maximale dans l’empilement
— Intensité maximale : 20 GW/cm2, 200 GW/cm2, 450 GW/cm2
La Figure 3.31 présente la localisation respective des mailles selon les différents critères étudiés. Le côté externe est défini comme le côté où se produit l’interaction laser-matière et, par opposition, le côté interne est le côté de la surface libre.
Les résultats de l’étude sont présentés sur la Figure 3.32.
Quel que soit le régime d’intensité considéré, les critères de pression maximale et de première maille solide depuis le côté interne ne sont pas appropriés. On voit en effet que la vitesse de surface libre obtenue en entrant les profils de pression selon ces critères ne permettent jamais de bien reproduire la vitesse de référence. En effet, le critère de pression maximale dans l’empilement ne caractérise le chargement appli- qué en entrée de la cible qu’au début de la simulation (t < 3 ns). On voit que très rapidement après, ce critère suit l’onde de choc qui se propage dans l’empilement dont l’amplitude est supérieure à l’amplitude du chargement appliqué par le plasma en face avant. L’utilisation de ce chargement comme conditions en entrée de simulation génère donc une courbe de vitesse de face arrière très différente de la courbe obtenue en utilisant l’impulsion laser comme terme source. Le critère de première maille solide du côté interne définit l’évolution de la pression hydrostatique dans la maille correspondant à la surface libre, ce qui ne convient évidemment pas à représenter le chargement en entrée.
Le critère de première maille solide depuis le côté externe et première maille liquide du côté interne caractérisent des mailles juxtaposées dans l’empilement et donc des pressions similaires. Ces critères sont
Figure 3.31 – Schéma de la localisation des maille selon les différents critères étudiés pour la détermination de la pression d’ablation
plutôt justes à haute intensité (I ≥ 200 GW/cm2). A bas flux (I = 20 GW/cm2), on remarque cependant
qu’ils surestiment les pressions induites puisqu’ils génèrent des signaux de vitesse en face arrière supérieurs aux signaux de référence. Cela implique que la pression représentative du chargement appliqué par le laser ne se situe pas à l’interface solide/liquide, comme on aurait pu s’y attendre, mais plus en amont vers le laser, dans la matière à l’état liquide ou vapeur.
La première interface liquide/vapeur depuis le côté externe est définie par la première maille de matière liquide. Pour l’épaisseur du cas étudié (200 µm), la pression relevée en suivant cette interface au cours du temps permet de bien représenter le chargement jusqu’à t = 100 ns et ce quel que soit l’intensité considé- rée. On remarque simplement que la pression d’ablation définie avec ce critère présente un pic marqué à t = 100 nsà haute intensité (I = 450 GW/cm2), ce qui implique un sursaut non-physique dans la vitesse de surface libre. Cette singularité est liée à un déplacement brusque de l’interface liquide/vapeur (saut de maille) au passage de l’onde de choc. Ce processus n’est significatif que pour des ondes de choc d’ampli- tude suffisamment élevée, ce qui explique l’apparition de ce pic uniquement à haute intensité. Toutefois, on constate que la pression d’ablation ne peut être liée à une interface entre deux états de la matière car, dans certaines conditions, l’état de la matière peut être perturbé par les aller-retours des ondes de choc dans la cible.
Finalement, les critères d’inversion de vitesse depuis le côté interne et externe sont ceux permettant de mieux restituer la vitesse de surface libre générée par l’impulsion laser. On peut expliquer ce résultat par le fait que le seul endroit dans l’empilement où la vitesse matérielle est inversée correspond au front d’ablation à partir duquel la matière est éjectée vers le laser d’un côté, et de l’autre, la cible est mise en mouvement dans la direction inverse. On notera simplement la présence d’un pic de pression similaire à celui observé avec le critère de première maille liquide externe dans le cas de l’inversion de vitesse interne. Ce pic non-physique est aussi lié à l’influence de l’onde de choc sur la matière en face avant mais il est d’amplitude significativement plus faible que dans le cas précédent. Le choix d’un critère d’inversion de vitesse correspond exactement au principe physique de la génération de pression par ablation et permet
20 GW/cm2 200 GW/cm2 450 GW/cm2
Figure 3.32 – Définition des pressions d’ablation selon différents critères et vitesses de surface libre correspondantes pour différentes intensités en régime direct
pression d’ablation externe pour la définition de la pression d’ablation en régime direct.
5.1.2 Régime Confiné
Les résultats numériques correspondant à l’étude en régime confiné sont exposés sur les Figures 3.34
et 3.33. On utilise des conditions identiques à celles mises en oeuvre pour l’étude en régime direct, avec des intensités représentative du régime de génération de chocs avec confinement eau.
— Matériau : aluminium pur — Epaisseur : 200 µm
— Forme d’impulsion : Gaussienne — Longueur d’onde : 532 nm — Durée d’impulsion : 7 ns FWHM — Critères étudiés :
— Première maille liquide externe — Première maille liquide interne — Première maille solide externe — Première maille solide interne — Inversion vitesse externe — Inversion vitesse interne
— Pression maximale dans l’empilement
— Intensité maximale : 1 GW/cm2, 3 GW/cm2, 6 GW/cm2
En régime confiné, l’inversion de vitesse du côté externe de la maille ne permet pas de représenter le chargement appliqué à la cible par le plasma. En effet, des perturbations dans la couche de confinement
(a) (b)
Figure 3.33 – (a) Profils temporels d’impulsion laser (b) Vitesse de surface libre de référence obtenue avec l’impulsion laser
peuvent générer des inversions de vitesse matérielle en amont du front d’ablation. On a remarqué en par- ticulier une mise en vitesse des mailles d’eau à l’interface eau/vide dès le début de la simulation. Cette mise en vitesse est liée à l’équation d’état de l’eau qui présente une pression négative dans les conditions ambiantes (T = 300 K et P = 105 P a). Cette représentation non-physique ne permet pas de définir la
pression d’ablation par le côté externe. On remarque toutefois que le critère d’inversion de vitesse du côté interne permet de bien reproduire la pression d’ablation du laser. Comme observé en régime direct, les perturbations induites par l’onde de choc sur la pression d’ablation définie par ce critère sont négligeables. Le critère d’inversion de vitesse du côté interne est donc tout à fait approprié pour définir la pression d’ablation dans la configuration d’interaction confinée. On dispose ainsi d’un critère commun en régime direct et en régime confiné pour la détermination de la pression d’ablation, ce qui permet d’avoir un réfé- rentiel unique pour la comparaison des deux régimes d’interaction. On peut donc définir le front d’ablation comme la position d’inversion de la vitesse matérielle. La Figure 3.35 montre la position du front d’abla- tion défini par l’inversion de vitesse et les interfaces de changements d’état pour les deux régimes considérés. On constate dans les deux cas que le front d’ablation correspondant à l’endroit où est définie la pression d’ablation est localisé dans la phase vapeur. Il faut noter également qu’en régime direct, le front d’ablation est délocalisé de la limite Ne = Nc, ce qui implique que le dépôt laser est dissocié du front d’ablation.
Cela confirme un point déjà évoqué précédemment, à savoir la dépendance de l’ablation aux phénomènes de transfert d’énergie en régime direct. A l’inverse, en régime confiné, le front d’ablation est dans la zone de densité critique. Le chauffage de la matière se fait donc directement par absorption du laser et explique la faible dépendance aux phénomènes d’échanges d’énergie.
5.2 Influence des caractéristiques mécaniques sur la mesure de vitesse dans le cas de