Imagerie du plasma

L’imagerie du plasma donne l’évolution de sa longueur en fonction du temps (dans des conditions d’expansion unidimensionnelle). Cette évolution est observée en modi- fiant le délai et la largeur de la porte d’acquisition de la caméra iCCD (voir Chapitre 2). La durée de porte est choisie à chaque mesure pour garantir que la dynamique et les propriétés du plasma changent très peu pendant toute cette durée. En général, une porte de 10 ns est suffisante dans la première centaine de nanosecondes d’obser- vation, puis il faut considérer des portes plus grandes (50 ns vers 500 ns et 500 ns vers 2 µs) lorsque l’intensité du plasma diminue.

La figure 4.1 représente l’expansion du plasma à différents délais de mesure, jusqu’à des temps de l’ordre de la microseconde. Sur chaque image, la cible est représentée par une ligne en tirets blancs. Ces images permettent de mettre en évidence quatre régimes d’expansion. Ces régimes sont reperés par les symboles ➀, ➁, ➂ et ➃ sur la figure 4.3.

➀

Expansion unidimensionnelle pour t . 100 ns

L’expansion du plasma a lieu principalement dans la direction du faisceau laser. Jusqu’à 80-90 ns, le plasma peut être représenté par une forme rectangulaire s’éti- rant dans la direction de propagation du faisceau laser. Puis il évolue clairement vers une forme triangulaire. La figure 4.2 présente l’évolution du diamètre moyen du plasma en fonction du temps. Cette figure montre que, pendant les 100 premières nanosecondes, le diamètre du plasma reste du même ordre de grandeur que le dia- mètre φ ≈ 1.3 mm du faisceau laser incident. L’expansion radiale est donc réduite par rapport à l’expansion longitudinale. Cette observation justifie l’utilisation d’un modèle unidimensionnel pendant les 100 premières nanosecondes de l’expansion.

La figure 4.3 décrit l’évolution de la longueur du plasma en fonction du temps. Cette longueur est mesurée suivant le protocole défini dans le chapitre 2. Dans le créneau temporel ➀, la longueur du plasma augmente rapidement en fonction du temps, passant de 0 à t = 0 ns à près de 1 mm à t = 100 ns.

➁

Expansion bidimensionnelle pour 100 . t . 275 ns

L’expansion devient bidimensionnelle. La longueur du plasma augmente jusqu’à zP ≈ 1.5 mm (figure 4.3) et son diamètre de 1.3 mm pour t = 100 ns à 2 mm

86 Chapitre 4. Présentation des résultats

Fig. _{4.1 - Images du plasma réalisés dans l’argon à 1 bar à différents temps (t 6 100 ns).} La porte d’acquisition est 10 ns et la densité optique est 2 pour toutes les images

➂

Extinction d’une partie du plasma pour 275 . t . 475 ns

Dans le créneau temporel ➂, la longueur du plasma diminue de 1.5 mm à 1.2 mm pour t = 400 ns. Cette diminution est visible sur la figure 4.1 en constatant que le sommet de ce "plasma triangulaire" semble s’éteindre. A 400 ns, la forme du plasma est devenue clairement elliptique.

La figure 4.4 montre l’extinction de la zone du plasma la plus éloignée de la cible. Ce résultat décrit la répartition spatiale de l’intensité moyenne du plasma entre 150 et 400 ns. Les profils obtenus à ces différents temps montrent que l’intensité moyenne émise est constituée de deux pics distincts. Au cours du temps, l’intensité de chaque pic a tendance à diminuer : cela exprime l’expansion du plasma, au cours de laquelle la valeur des paramètres qui influencent l’émission diminue au cours du temps, notamment de la densité totale et la température. L’intensité du pic le plus éloigné de la surface diminue plus vite que celle du premier pic. Cette mesure montre donc qu’il existe deux régions dans le plasma dont l’émission évolue différemment au cours du temps. L’identification de ces régions sera expliquée dans la suite de ce chapitre, car elle nécessite une corrélation entre les résultats d’imagerie et d’ombroscopie.

4.1. Etude de la dynamique de la phase gazeuse 87 0 200 400 600 800 1000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 p l a s m a d i a m e t e r ( m m ) time (ns)

laser spot diameter (1.3 mm)

Fig. _{4.2 -Evolution du diamètre moyen du plasma en fonction du temps.}

0 1 2 3 4 5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 4 1 t 475 ns Refroidissement d'une partie du plasma

D i st a n ce ( m m ) Temps (µs) t 275 ns Croissance du plasma Expansion de la matière ablatée 2 3 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 D i st a n ce ( m m ) Temps (µs)

Fig._{4.3 -Evolution de la longueur du plasma en fonction du temps.}

Les résultats d’ombroscopie seront donc présentés avant d’expliquer cette émission particulière. De plus, même si le modèle ne fournit des résultats que pour le créneau temporel ➀, il permettra, en parallèle d’étayer les observations expérimentales pour le créneau temporel ➁.

➃

Expansion bidimensionnelle pour 475 . t . 1.5 µs

Le plasma évolue d’une forme elliptique vers 600 ns vers une forme rectangulaire, vers 1 µs. Cela est dû à l’expansion 2D du plasma qui est fortement influencée par

88 Chapitre 4. Présentation des résultats -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 5,0x10 11 1,0x10 12 1,5x10 12 2,0x10 12 2,5x10 12 3,0x10 12 3,5x10 12 4,0x10 12 4,5x10 12 2 nd pic s u r f a c e 150 ns, t = 10 ns 170 ns, t = 10 ns 200 ns, t = 10 ns 250 ns, t = 50 ns 400 ns, t = 50 ns I n t e n si t é m o ye n n e ( u . a ) Distance (µm) E ch a n t i l l o n 1 er pic

Fig._{4.4 -Intensité moyenne du plasma en fonction de la distance à la cible}

l’interaction entre le plasma et le gaz ambiant. Le diamètre moyen de ce plasma atteint presque 3 mm. On remarque par ailleurs sur l’image acquise à t = 2 µs que le plasma semble se décoller de la surface de l’échantillon. En réalité, c’est probablement l’intensité qui a chuté de façon importante juste au dessus de la surface, probablement du fait d’un refroidissement du plasma dans cette région par conduction thermique sur la surface, de sorte que l’on ne décelle plus d’émission plasma par imagerie.

La mise en évidence de ces régimes d’expansion est très fortement correlée à la dynamique de l’onde de choc dans la phase gazeuse. Dans la section suivante, cette dynamique est étudiée en s’appuyant sur les résultats d’ombroscopie. La compa- raison entre imagerie et ombroscopie permet de comprendre comment se forme le plasma dans la phase gazeuse.

Dans le document Etudes théorique et expérimentale des plasmas produits par laser en vue de leur application à l'analyse chimique des matériaux en environnement complexe. (Page 100-103)