D´ ependance en fluence de la profondeur ablat´ ee

Une des difficult´es de l’approche Lagrangienne est d’avoir une discr´etisation spatiale du mat´eriau qui se d´eforme au cours du temps. En effet, l’hydrodynamique conduit `a la mise en vitesse de la surface et `a la variation de volume de chacune des mailles. Nous d´efinirons donc la profondeur ablat´ee comme ´etant la profondeur initiale de la derni`ere maille ´ejectable. En supposant que les n premi`eres mailles sont ablat´ees, nous nous r´ef´ererons `a la position en profondeur de la maille n `a t = 0. En appliquant la somme des crit`eres que nous avons d´etaill´es dans le paragraphe pr´ec´edent, nous avons fourni une profondeur d’ablation th´eorique pour une gamme de fluences comprises entre 0 et 35 J cm−2 _{pour des ´echantillons de cuivre}

et d’aluminium. Nous avons fix´e la dur´ee d’impulsion `a 170 fs et la longueur d’onde `a 800 nm. Sur la figure (5.14), nous pr´esentons la courbe de quantit´e de mati`ere ablat´ee en fonction de la fluence laser incidente dans le cas du cuivre. Elle est compar´ee `a celle donn´ee par les exp´eriences pr´ec´edemment d´ecrites.

Fig. 5.14 – D´ependance en fluence de la profondeur ablat´ee par impulsion dans une cible de cuivre. Sur le mˆeme graphique sont repr´esent´es les r´esultats des exp´eriences d’ablation effectu´ees au laboratoire TSI (points), la courbe de simulation d’ablation Delpor (trait plein) ainsi que la profondeur d’ablation sp´ecifique, caract´eristique de l’efficacit´e (tirets).

Chapitre 5 : Détermination de l’ablation de matière

Nous observons un bon accord entre les donn´ees exp´erimentales et les taux d’ablation cal-cul´es. La dynamique de la courbe est bien reproduite dans l’ensemble puisqu’elle pr´esente un coude autour de 5 J cm−2 _{que les simulations parviennent `a restituer. Ceci montre bien que les}

processus pris en compte dans nos simulations reproduisent fid`element les conditions de l’exp´ e-rience. Pour les plus hautes fluences, sup´erieures `a 5 J cm−2_{, l’accord entre la courbe th´eorique}

et les exp´eriences est bon. Par contre, pour des fluences plus faibles nous observons un d´ecalage entre les deux seuils d’ablation que nous d´etaillerons par la suite.

Ces r´esultats montrent que le taux de mati`ere ablat´ee a tendance `a saturer pour les fortes fluences. Ce ph´enom`ene est principalement dˆu au fait que la mise en vitesse de la surface du mat´eriau n´ecessite de l’´energie m´ecanique qui est, en quelque sorte, puis´ee dans l’´energie thermique interne. Lorsque la fluence augmente, la temp´erature de l’´echantillon augmente `a sa surface ce qui produit une expansion plus importante. Celle-ci emporte une partie de l’´energie totale qui ne contribue pas au processus d’ablation. De plus, plus la d´etente du mat´eriau `a sa surface libre est importante, plus le gaz« appuie » sur la couche liquide qui ne peut alors plus se d´etendre et reste confin´ee sur le m´etal solide. Le comportement de la courbe d’ablation est donc intimement li´e `a l’hydrodynamique du mat´eriau.

Une conversion trop importante de l’´energie thermique en ´energie cin´etique n’est pas utile pour les processus d’ablation. Ainsi, pour les hautes fluences, une partie de l’´energie incidente est perdue dans l’expansion plasma. A l’inverse, pour les faibles fluences, il n’y pas d’ablation en profondeur si le m´etal solide n’a pas re¸cu suffisamment d’´energie pour pouvoir se transformer en liquide. Il est donc naturel d’envisager une fluence optimale qui peut ˆetre obtenue en recherchant la fluence pour laquelle le rapport entre le taux d’ablation et l’´energie d´elivr´ee par impulsion est maximum [80]. Ceci nous a conduit `a d´efinir une profondeur d’ablation sp´ecifique, ´egale `a la profondeur d’ablation th´eorique divis´ee par la fluence associ´ee, que nous avons trac´ee sur la mˆeme figure. Nous remarquons que la fluence d’ablation optimale apparaˆıt au niveau du coude de la courbe pr´ec´edente, `a environ 5 J cm−2 <sub>dans le cuivre. Ce point correspond `a un</sub>

comportement critique de l’hydrodynamique du syst`eme pour lequel l’efficacit´e d’ablation est maximale. Nous pr´econisons donc que l’utilisation d’impulsions laser `a cette fluence permet d’optimiser l’ablation du mat´eriau.

Similairement `a la courbe pr´ec´edente, nous avons repr´esent´e sur la figure (5.15) la d´ epen-dance en fluence du taux d’ablation et de la profondeur d’ablation sp´ecifique dans le cas d’un ´

echantillon d’aluminium sous les mˆemes conditions d’irradiations. Cette fois encore, nous ob-servons un bon accord g´en´eral entre les donn´ees exp´erimentales et la courbe de simulation Delpor. Seuls les taux d’ablation `a basses fluences sont mal reproduits. Les caract´eristiques principales de ces courbes restent identiques au cas pr´ec´edent. Nous pouvons mentionner le fait que le coude se trouve `a environ 200 nm pour les deux mat´eriaux, c’est `a dire que l’effet de l’hydrodynamique commence `a jouer `a la mˆeme profondeur. La profondeur d’ablation sp´ecifique calcul´ee par rapport `a la courbe th´eorique montre une fluence optimale beaucoup plus marqu´ee `

a environ 0.5 J cm−2_{, qui correspond `a notre point d’efficacit´e maximale estim´ee.}

Fig. 5.15 – D´ependance en fluence de la profondeur ablat´ee par impulsion dans une cible d’aluminium. Sur le mˆeme graphique sont repr´esent´es les r´esultats des exp´eriences d’ablation effectu´ees au laboratoire TSI (points), la courbe de simulation d’ablation Delpor (trait plein) ainsi que la profondeur d’ablation sp´ecifique, caract´eristique de l’efficacit´e (tirets).

Il faut noter que ces courbes de simulation du taux d’ablation sont fortement d´ependantes des valeurs du coefficient de couplage et de la conductivit´e thermique. Or, le facteur de couplage est assez mal connu et parmi les valeurs relev´ees dans la litt´erature, il peut varier jusqu’`a un ordre de grandeur [128]. Ceci peut expliquer le d´ecalage observ´e entre les courbes th´eoriques et exp´erimentales. Il peut ´egalement ˆetre li´e `a une mauvaise prise en compte de la variation des param`etres optiques durant l’irradiation laser. Ainsi, dans le cas du cuivre, une ´el´evation de la temp´erature ´electronique augmenterait l’absorption en raison de l’augmentation des col-lisions entre ´electrons libres. A l’inverse, l’existence d’une transition interbande `a 800 nm dans l’aluminium pourrait conduire `a diminuer l’absorption d’´energie optique [29, 43, 113]. Nous d´evelopperons cette variation de l’absorption optique dans la seconde partie de ce travail. Ce d´ecalage existe peut-ˆetre encore pour les plus fortes fluences, mais il est alors contenu dans les incertitudes et« ´ecras´e » par l’´echelle logarithmique. Le d´esaccord observ´e aux basses fluences nous a conduit `a ´etudier l’influence de ces param`etres sur le seuil en fluence de l’ablation dont nous allons maintenant discuter.

Chapitre 5 : Détermination de l’ablation de matière