Détermination du seuil d’observation du plasma

Le seuil d’observation du plasma est défini comme la valeur minimale de la fluence laser pour que l’émission plasma puisse être mesurée. Expérimentalement, la dé- termination de ce seuil est réalisée par spectroscopie optique. Elle est basée sur le protocole suivant : une mesure de l’émission du cuivre, résolue spectralement, est réalisée par spectrométrie optique, à une énergie de l’impulsion donnée, immédiate- ment après la fin de l’impulsion laser. Si une ou plusieurs raies spectrales (atomiques ou ioniques) sont détectables, cela implique que les collisions électrons-particules sont suffisamment nombreuses pour peupler les niveaux émetteurs de ces raies spectrales. Dans ce cas, il est raisonnable de supposer que la valeur de la densité électronique est suffisamment élevée pour considérer que la vapeur est à l’état plasma. Cette mesure a été réalisée sur un autre banc expérimental sur lequel sont déjà montés les diagnostics spectrométriques. La source laser est une source Nd :YAG à 532 nm, impulsionnelle de durée d’impulsion 6 ns FWHM. Le profil temporel de cette impulsion est gaussien. Le profil spatial est "top-hat", et le diamètre de la tache laser sur la surface de l’échantillon est 200 µm. Les caractéristiques de ce laser étant similaires à celle de notre laser d’ablation, il est raisonnable de supposer que deux résultats obtenus avec ces sources dans les mêmes conditions expérimentales donnent des résultats semblables. Les mesures concernent trois raies atomiques du cuivre, aux longueurs d’ondes 510.5 nm, 515.3 nm et 521.8 nm.

Le résultat des mesures est présenté sur la figure 4.30. Cette figure représente l’intensité des trois raies atomiques en fonction de l’énergie de l’impulsion incidente. Dans la gamme de fluences F < 1.5 J.cm-2_{, le signal est très faible : cela peut}

s’expliquer par une faible valeur de la densité électronique dans la vapeur de cuivre, de sorte qu’il n’y a pas suffisamment de collisions entre les électrons et les atomes de cuivre pour peupler les niveaux émissifs correspondants aux trois raies précédentes. Au delà de 1.5 J.cm-2, la densité électronique produite dans la vapeur doit augmenter (du fait de l’absorption du faisceau laser par la vapeur, qui augmente en fonction de l’énergie), ce qui augmente la fréquence de collisions avec les atomes : cela conduit à l’excitation des atomes de cuivre, et donc au peuplement des niveaux émissifs du cuivre, ce qui implique une augmentation de l’intensité des raies émises par le plasma.

114 Chapitre 4. Présentation des résultats 0 1 2 3 4 5 6 100 1000 510.5 nm 515.3 nm 521.8 nm I n t e n si t é m e su r é e d u si g n a l ( u . a ) Fluence laser (J.cm -2 ) Seuil d'observation du plasma F 1,5 J,cm -2

Fig. _{4.30 - Mesure du signal de trois raies atomiques de cuivre en fonction de la fluence} laser.

Ce résultat montre clairement qu’il existe une valeur seuil de fluence pour lequel le signal des raies augmente brusquement en fonction de la fluence laser.

0 2 4 6 8 10 12 10

100 1000

Seuil de formation du plasma F 2,5 J.cm -2 510.5 nm 515.3 nm 521.8 nm I n t e n si t é ca l cu l é e ( u . a ) Fluence laser (J.cm -2 )

densité seuil d'électrons

10 19 10 20 10 21 10 22 10 23 10 24 10 25 10 26 < n e > ca l cu l é e ( m - 3 )

Fig. 4.31 - Calcul du signal des raies atomiques de cuivre à 510.5, 515.3 et 521.8 nm en fonction de la fluence laser.

Le modèle permet de calculer le seuil d’observation du plasma suivant le même protocole que celui utilisé expérimentalement. Plusieurs simulations sont réalisées en faisant varier la fluence laser, et nous représentons l’intensité des trois raies majeures

4.3. Etude du seuil d’observation du plasma - Ecrantage plasma 115

du cuivre en fonction de cette fluence. La formule qui donne l’intensité d’une raie est donnée par la formule (1.57), que nous rappelons ici :

jν,m−n = f (νm−n)hνm−nAm−n gm u(T )N exp  − Em kB T 

Les grandeurs caractéristiques de chaque transition ν, A, gm et Em ont été défi-

nies dans la section 1.3.3. Leurs valeurs ont été prises, pour les trois raies étudiées, dans la base NIST [10]. Le résultat donné par le modèle est présenté sur la figure 4.31. L’intensité des trois raies est nulle pour une fluence inférieure à 1.5 J.cm-2_{, puis}

augmente très rapidement en fonction de l’énergie de l’impulsion. Le modèle met donc également en évidence une valeur seuil à partir de laquelle l’émission de la vapeur est observable. Afin de déterminer le seuil de formation du plasma à partir du modèle, ce résultat doit être complété par l’étude de la densité électronique du plasma. Sur la figure 4.31, nous avons donc également représenté la densité électronique moyenne <ne>, donnée par la relation :

< ne>= 1 τ 1 ∆z Z Z τ, ∆z ne(z, t)dzdt (4.1)

Cette grandeur représente la densité électronique moyennée sur tout le volume ∆z du plasma et sur la durée d’impulsion τ . La densité électronique moyenne augmente naturellement en fonction de la fluence laser. En deça de 1.5 J.cm-2, cette densité électronique est nulle. Pour des fluences de l’ordre de 1.5-2 J.cm-2, cette densité est de l’ordre de 1020_-1021 _m-3_{, ce qui est relativement faible pour considérer que la}

matière ablatée est à l’état plasma dans des conditions LIBS. L’ordre de grandeur typique de la densité électronique, qui caractérise la formation d’un plasma dans des condtions similaires à celles que nous étudions dans ce manuscrit, est plutôt située vers 1022 m-3 [11, 12]. Sur la figure, cette valeur correspond à une valeur de fluence de l’ordre de 2.5 J.cm-2, valeur qui est très proche du seuil déterminé à partir de l’examen des raies atomiques du cuivre. La corrélation des résultats de la figure 4.30 et 4.31 prouve ainsi que la valeur du seuil de formation du plasma est de l’ordre de 1.5-2.5 J.cm-2.

Le paragraphe suivant présente les résultats expérimentaux qui mettent en évi- dence l’écrantage du faisceau laser par le plasma. Ces résultats permettent d’évaluer si l’interaction laser-plasma est correctement modélisée. Par ailleurs, le modèle numérique permet d’expliquer la forme du profil temporel de l’impulsion écrantée.