Présentation de la technique

La technologie LASER (Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation), développée depuis les années 1960 est basée sur l'émission stimulée de photons dans une cavité optique. Contrairement au processus d'absorption et d'émission spontanée de photons observé auparavant, le phénomène d'émission stimulée est mis en évidence par Albert Einstein en 1917 (Figure 1.3) [33]. Le phénomène d'émission de lumière par laser a été observé pour la première fois dans un cristal de rubis par Maiman en 1960 [34].

Figure 1.3  Principe de l'émission stimulée [35]

Dans un milieu en présence d'atomes dans un état excité, le passage d'un photon, identique à celui qu'ils auraient libéré spontanément, peut provoquer l'émission d'un photon et le retour de l'atome vers un état moins excité. Pour empêcher l'absorp-tion des photons par le milieu, les atomes sont maintenus dans leur état excité donc hors-équilibre par pompage. Ce système, avec pompage optique, a été mis au point par Alfred Kastler en 1950. L'intérêt de ce processus est que le photon émis et inci-dent possèinci-dent les mêmes caractéristiques (longueur d'onde, direction, polarisation et phase). Par passage répété de cette onde, le faisceau est amplié et l'onde laser obtenue monochromatique, peu divergente et cohérente spatialement et temporellement.

Les consituants principaux des systèmes laser sont [35] :

 un milieu actif ou amplicateur qui va produire des photons d'une longueur d'onde caractéristique ;

 une source d'énergie pour exciter le milieu et maintenir l'inversion de popu-lation, la durée du pompage dénit le mode d'émission du laser en continu ou pulsé ;

 une cavité optique, constituée de plusieurs miroirs dont un partiellement ré-échissant qui va amplier le faisceau laser avant sa sortie.

Les diérents types de laser sont dénis par la nature du milieu actif. Celui-ci peut être un cristal dopé (Nd : YAG, Ti : Saphir), un gaz (HeNe, CO2, excimères), un milieu liquide (colorants), des éléctrons libres ou une bre optique dopée par des terres rares

Figure 1.4  Schéma de principe d'une source laser

(Yb, Er, Tm). L'intérêt industriel des laser à bre a été démontré industriellement depuis les années 2000 et permettent d'avoir une source laser de haute puissance avec une bonne qualité de faisceau grâce à leur grande capacité de stockage d'énergie [36].

L'interaction entre le faisceau laser et une cible est un phénomène complexe qui dépend à la fois des caractéristiques du laser (longueur d'onde, durée d'impulsion, in-tensité, distribution spatiale et temporelle, . . . ) et des propriétés physicochimiques du matériau irradié (état de surface, absorption, conductivité thermique, capacité ther-mique, nature du substrat, . . . ). Au cours de l'irradiation d'une surface par une onde laser, l'énergie est absorbée, diusée par excitation électronique dans le solide et aecte thermiquement une zone limitée du matériau. En fonction de l'intensité absorbée par la surface et la durée d'interaction, cette augmentation rapide de température entraîne des modications structurelles du matériau ainsi que des transitions de phases. A faible intensité, le chauage de la zone peut provoquer la fusion. Au-delà d'une intensité seuil, la matière est éjectée ce qui entraîne la formation d'une plume plasma au-dessus de la surface, dans laquelle la matière est ionisée (Figure 1.5) [3739].

Figure 1.5  Régimes d'interaction laser/matière : a) Chauage laser ; b) Expulsion à partir d'une phase liquide [38]

La diversité des régimes rencontrés a permis de développer de nombreux procédés laser depuis les années 1970 (Figure 1.6) [38,40]. Les lasers de faibles densités d'énergie et de durée d'impulsion longues sont utilisés pour la séparation d'isotopes pour le nu-cléaire, les contrôles non destructifs, la métrologie (mesures de distances, de vitesse et alignement), les télécommunications ou le divertissement (pointeurs laser, spectacles). Dans ces domaines, les lasers sont intéressants pour leurs propriétés optiques (cohé-rence spatiale et temporelle, mono chromaticité). Ils sont également employés comme source d'énergie intense dans des applications médicales (dentisterie, dermatologie, on-cologie, . . . ), les traitements de surfaces de matériaux (nettoyage, durcissement, . . . ) ou des procédés industriels (découpe, soudage, perçage).

La technique de décontamination par laser est un procédé basé sur un processus physique d'expulsion de matière provoquée par l'envoi d'impulsions laser de haute densité d'énergie. Le balayage de la surface va permettre d'éjecter la matière contaminée qui sera récupérée au cours du processus par aspiration pour éviter le dépôt de matière sur la surface ou la dispersion dans l'environnement [4,41].

De nombreuses études ont montré les avantages de cette technique pour le nettoyage de composants dans le domaine du nucléaire. La décontamination par laser est en eet une technique automatisable et applicable à distance, par transmission du faisceau laser par bre optique par exemple [5]. Les conditions de travail sont également améliorées sans exposition radiologique des travailleurs et sans les inconvénients du travail manuel (charge, vibrations, bruit, etc). De plus, la zone d'opération est isolée de l'environne-ment grâce à l'aspiration de la matière ablatée [10, 42] et les déchets secondaires sont limités à la matière ablatée contenue dans un ltre ainsi qu'au dispositif laser en n d'opération. La source laser elle-même peut néanmoins être protégée de la contamina-tion par l'utilisacontamina-tion d'une manche de connement [43]. Enn à l'image des techniques conventionnelles utilisées actuellement et basées sur l'éjection de la contamination, l'ef-cacité de l'ablation laser ne dépend pas des radionucléides présents. Ainsi les essais de Thouvenot et al. [22] de décontamination par laser XeCl à 2,2 J/cm2 et 80 tirs suc-cessifs sur des échantillons d'aluminium montrent un résultat similaire pour diérents radionucléides rencontrés (125Sb,134Cs,137Cs,154Eu,155Eu). Cependant cette technique n'est pas, à l'heure actuelle, utilisée dans des opérations de décontamination. Il reste en eet des entraves à son application, notamment le coût du système qui est élevé en comparaison avec les techniques actuelles. Il est également nécessaire d'adapter la source laser (longueur d'onde, durée d'impulsion) au type de substrat à décontaminer et surtout, la décontamination d'équipements à géométrie complexe reste dicile.