a droite de l’onde de choc sur la figure (4.6), une onde de contrainte n´egative suit l’onde de choc principale. Cette onde de d´etente se propage ´egalement dans le mat´eriau, rattrapant mˆeme l’onde de compression et grignotant ainsi la queue de l’onde de choc. Elle atteint environ -5 GPa, ce qui, il faut le noter, est sup´erieur `a la tension de rupture classique dans le cuivre solide. Nous d´etaillerons plus pr´ecis´ement ce point dans le paragraphe (5.3.4) du prochain chapitre.
Ainsi, nous venons de voir comment le d´es´equilibre thermique ´electron-ion influen¸cait la mise sous contrainte du mat´eriau. Le mod`ele hydrodynamique utilis´e sous sa forme Lagran-gienne g`ere la propagation des ondes de choc au sein de l’empilement de maille au cours de la simulation. Nous avons ainsi mis en ´evidence l’existence de deux ondes de choc cons´ecutives, la premi`ere ´electronique laissant place `a la deuxi`eme, ionique, en quelques picosecondes. Ensuite, par conservation de la quantit´e de mouvement, l’onde de d´ecompression est suivie par une onde de d´etente, qui elle aussi se propage dans le mat´eriau.
4.4 Perspectives : mesure de pression interne dans la cible
Nous avons repr´esent´e sur la figure (4.7) plusieurs formes obtenues pour l’onde de choc en ayant fait varier les valeurs des param`etres du mod`ele `a deux temp´eratures. Ainsi, nous avons superpos´e une courbe correspondant aux param`etres standard du M2T, utilis´es dans l’ensemble des simulations, une correspondant `a une augmentation de la conductivit´e et enfin une correspondant `a l’augmentation du facteur de couplage (e-ph).Dans les premi`eres centaines de picosecondes, la croissance de la contrainte interne est directement li´ee `a la profondeur de chauffage. L’augmentation du facteur de couplage conduit `a un gradient thermique plus raide et ainsi `a des temp´eratures plus faibles `a 1 µm de profondeur en comparaison avec les deux autres situations. Il en r´esulte une pression amoindrie dans ce cas. L’intensit´e maximale de l’onde de choc se propageant `a partir de la surface, atteint 1 µm de profondeur au bout d’environ 200 ps. L’augmentation du facteur de couplage acc´el`ere le transfert d’´energie des ´electrons vers les ions ce qui provoque une plus grande compression. Inversement, une conductivit´e thermique accrue a tendance a ´etaler le profil spatial d’´energie et conduit `a une pression moins importante. La dur´ee du choc et son intensit´e repr´esentent une bonne signature des effets oppos´es de la conductivit´e et du facteur de couplage.
Fig. 4.7 – Influence des param`etres du Mod`ele `a Deux Temp´eratures sur la forme de l’onde de choc dans une cible de cuivre. La courbe correspondant aux param`etres standard est repr´esent´ee par un trait plein, alors que celles correspondant `a une augmentation de la conductivit´e Ke et une augmentation du facteur de couplage ´electron-phonon γ sont respectivement repr´esent´ees par des courbes pointill´ee et hach´ee.
Les simulations sugg`erent que les contraintes induites en profondeur par les impulsions la-ser ultracourtes fournissent des informations sur l’´evolution dynamique de l’´etat du mat´eriau qui pourraient ˆetre compar´ees avec des mesures exp´erimentales de pression. L’int´erˆet princi-pal de l’´etude de l’´evolution temporelle des pressions est que celle-ci contient l’ensemble des informations relatives `a la physique de l’interaction mais exprim´ees sur des ´echelles de temps plus importantes. Ainsi, les caract´eristiques du d´es´equilibre ´electron-ion sont encore visibles sur des ´echelles de temps plus longues, loin dans le mat´eriau. Ces mesures seraient susceptibles de fournir une voie int´eressante pour analyser les distorsions de la mati`ere sur des ´echelles de temps de l’ordre de la picoseconde. Comme m´ethode possible pour mesurer les pressions, nous pouvons envisager des mesures m´ecaniques par capteurs pi´ezo´electrique [124], ou optiques par Interf´erom´etrie Doppler Laser [18] ou VISAR [149]. Dans le premier cas, nous pouvons envisager une jauge pi´ezo´electrique `a quartz sur laquelle il serait mis un d´epˆot ou une feuille du m´etal que l’on souhaite ´etudier. Une relation relie alors la tension aux bornes de la r´esistance de charge et la diff´erence des contraintes appliqu´ees en face avant et arri`ere du capteur. Le coefficient de r´eponse est alors d´etermin´e par ´etalonnage pr´ealable comparativement `a la r´eponse du quartz dans les mˆemes conditions de sollicitation.
Chapitre 4 : Les processus hydrodynamiques
Dans ce chapitre, nous avons d´ecrit les m´ecanismes et d´evelopp´e les ´equations li´ees `a l’´ etablis-sement des ondes de choc et `a leurs propagations dans le solide. Si l’onde de compression chauffe le mat´eriau en profondeur par densification sur son passage, l’onde de d´etente est, elle, respon-sable de l’´ejection tr`es rapide du fluide en surface. L’importance des pressions et contraintes en tension mises en jeu t´emoigne de la rapidit´e du chauffage par le transfert d’´energie (e-ph). La dynamique et la forme prises par ces distributions de pression sont marqu´ees par les m´ eca-nismes transitoires qui ont lieu au d´ebut de l’interaction. Ainsi, nous avons fait apparaˆıtre un lien entre les param`etres du mod`ele `a deux temp´eratures et la forme du choc, exprimant ainsi `
a plus long terme le caract`ere imputable au d´es´equilibre imm´ediat suivant l’interaction. Une analyse pr´ecise des ondes de choc pourrait ainsi fournir des informations sur le comportement du mat´eriau au cours du processus de relaxation d’´energie. Nous avons alors mis en ´evidence l’int´erˆet d’effectuer des mesures de vitesse arri`ere d’un ´echantillon pour ´etudier l’impact d’un d´es´equilibre thermique sur la d´eformation du m´etal.
CHAPITRE
5
D´etermination de l’ablation de mati`ere
Les dommages produits par un faisceau laser irradiant un ´echantillon m´etallique font l’ob-jet de nombreuses publications d´edi´ees et de conf´erences organis´ees r´eguli`erement. Les diverses formes d’´ejection de la surface du mat´eriau se regroupent sous le terme d’ablation. Il comprend plusieurs ph´enom`enes tels que l’´evaporation, la nucl´eation, la fracture solide voire mˆeme l’´ emis-sion d’´electrons. Les mesures d’ablation pr´esentent un net avantage par rapport aux autres me-sures accessibles pour d´eterminer les causes de l’endommagement puisqu’il s’agit d’une mesure statique et facilement reproductible. Ainsi, l’observation des dommages produits sur l’´ echan-tillon constitue un bon moyen de recueillir des indices sur les m´ecanismes de formation d’un crat`ere. En particulier, l’analyse de la profondeur d’ablation est une premi`ere source utile d’in-formations qui d´evoile la nature de l’interaction laser-mati`ere et ses cons´equences sur l’´evolution des propri´et´es de la cible.
Dans ce chapitre, nous allons pr´esenter les r´esultats d’ablation obtenus au moyen des sources laser ultracourtes. Apr`es un expos´e succinct des propri´et´es principales associ´ees `a ce type d’im-pulsions, nous pr´esenterons les proc´ed´es exp´erimentaux qui ont ´et´e n´ecessaires pour effectuer des exp´eriences d’ablation. Nous d´etaillerons alors le montage exp´erimental ainsi que la m´ethode de diagnostic de la profondeur ablat´ee. Au vu des caract´eristiques particuli`eres de ce type d’in-teraction, nous d´etaillerons les diff´erentes sortes de m´ecanismes, envisag´ees dans la litt´erature, pouvant occasionner l’´ejection de la mati`ere en surface. Ceci nous am`enera `a d´ecrire les proces-sus physiques associ´es aux changements de phase afin d’´etablir un lien entre les observations exp´erimentales et les ph´enom`enes reproduits au cours d’une simulation. De l`a, nous pourrons d´eterminer une limite fictive `a l’int´egrit´e du fluide d´ecrit et ainsi utiliser ce crit`ere d’ablation pour donner une d´ependance en fluence de la quantit´e de mati`ere ablat´ee par impulsion. Nous pr´esenterons alors une comparaison entre les r´esultats exp´erimentaux sp´ecifiques et les courbes d’ablation num´eriques pr´edictives. Celle-ci donnera ´egalement lieu `a une ´etude param´etrique.
5.1 Originalit´e des applications des sources ultrabr`eves
Le domaine d’applicabilit´e de l’interaction laser-m´etal est relativement large et comprend l’ablation, le per¸cage, la coupe et la soudure. Cette technologie pr´esente des int´erˆets majeurs tels que la pr´ecision et la forte cadence des proc´ed´es tout en ´evitant les contacts m´ecaniques entre l’outil et l’´echantillon. Depuis quelques ann´ees, les lasers femtosecondes se sont r´ev´el´es ˆetre tr`es int´eressants pour les applications industrielles de micro-usinage d´eriv´ees de l’ablation par laser. Ces applications ont ´et´e, de surcroˆıt, dop´ees par les progr`es des technologies ultrabr`eves et en particulier grˆace au d´eveloppement de l’amplification `a d´erive de fr´equence permettant de r´ealiser des syst`emes laser ultracourts pour des ´etudes `a vocation industrielle.
Il ´etait dans un premier temps suppos´e que l’´energie d´epos´ee par le laser ultracourt n’avait pas le temps de se r´epartir dans le m´etal irradi´e, limitant ainsi l’´energie thermique r´esiduelle dans la cible. Cette supposition ´etait directement li´ee aux caract´eristiques particuli`eres des ablations r´ealis´ees par les sources d’impulsions ultrabr`eves. L’´etat de surface au voisinage de l’interaction est en effet beaucoup plus propre grˆace `a ce type d’impulsion par rapport aux impulsions plus longues. Cependant, les observations montrent des modifications structurales autour de la zone irradi´ee, tendant `a sugg´erer que l’´energie thermique restant dans le mat´eriau n’est pas n´egligeable [93]. Pour aller plus loin dans l’´etude des effets thermiques r´esultants de l’interaction, il est n´ecessaire de connaˆıtre les processus responsables de l’´ejection de mati`ere et leurs r´egimes d’existence.
Nous pouvons citer, parmi les nombreuses ´etudes exp´erimentales effectu´ees sur le sujet, les travaux de Chichkov et al sur la d´ependance en dur´ee d’impulsion de l’ablation [27]. Ils ont montr´e exp´erimentalement que les faibles dur´ees d’impulsion permettaient une meilleure pr´ecision de l’ablation. Les bords des trous qu’ils ont r´ealis´es avec des impulsions femtosecondes sont plus marqu´es et pr´esentent moins de bavures. Sur les figures (5.1) et (5.2), nous avons reproduit leurs r´esultats pour illustrer ces caract´eristiques particuli`eres d’ablation.
Fig.5.1 – Photographies de microscopie ´electronique `a balayage de trous obtenus sur une cible d’acier par une impulsion laser `a 780 nm de 80 ps, 900 µJ, F=3.7 J/cm2 (`a gauche) et de 3.3 ns, 1 mJ, F=4.2 J/cm2 (`a droite) [27].
Chapitre 5 : Détermination de l’ablation de matière
Fig.5.2 – Photographies de microscopie ´electronique `a balayage de trous obtenus sur une cible de cuivre par un laser de 250 fs, d’une ´energie de 0.5 mJ, F=2.5 J/cm2 `a une longueur d’onde λ = 390 nm, pour 10 (a), 100 (b), 1000 (c) et 30000 (d) impulsions [27].
Preuss et al furent les premiers `a ´etudier exp´erimentalement la d´ependance en fluence des taux d’ablation dans des m´etaux comme le nickel, le cuivre, le molybd`ene, l’indium, le tungsten et l’or [118]. Ils ont mesur´e les taux d’ablation pour des impulsions UV au moyen d’un spec-trom`etre de masse. En 1997, Nolte et al ont observ´e deux r´egimes d’ablation distincts dans le cuivre, `a partir desquels ils ont d´eduit des d´ependances logarithmiques du taux d’ablation en fonction de la fluence incidence [111]. Plus r´ecemment, Hashida et al ont ´egalement ´etudi´e la d´ependance du taux d’ablation en fonction de la fluence pour diff´erents m´etaux par mesures de profondeurs de crat`eres r´ealis´es grˆace `a des impulsions de 70 fs [60]. De nombreux param`etres influencent ainsi le comportement de l’´ejection de la mati`ere en surface des m´etaux. Wynne et Stuart se sont int´eress´es aux effets de la profondeur du trou, de la dur´ee d’impulsion et de la pression ambiante sur la profondeur d’ablation dans l’aluminium et l’acier inoxydable [159]. Il ressort de leur ´etude que, contrairement `a d’autres r´esultats publi´es [94], la dur´ee d’impulsion ne joue pas pour des impulsions comprises entre 150 fs et 500 ps. Par contre, la rugosit´e de surface s’est av´er´ee ˆetre une caract´eristique d´eterminante pour la profondeur du trou.
Diverses ´etudes exp´erimentales ont ainsi ´et´e d´edi´ees `a la caract´erisation des effets modifiant la quantit´e de mati`ere ´eject´ee par les impulsions ultracourtes dans l’objectif d’optimiser le micro-usinage. Dans l’´etude que nous allons pr´esenter dans la suite, nous nous sommes particuli`erement int´eress´es `a la d´ependance en fluence du taux de mati`ere ablat´ee par impulsion.