Acquisition et traitement
2.1.1 Principe de l'ablation laser
La comprehension du phenomene de l'ablation laser fait appel a des notions de physique des surfaces et de physique des plasmas a priori fort complexes. En emettant plusieurs hypotheses, nous pouvons tout de m^eme arriver a un modele simple. Nous allons de nir les grandeurs qui sont importantes pour creer l'eva- poration lors de l'interaction laser-metal. Le but de ce paragraphe est d'obtenir des ordres de grandeur. Ce chapitre est largement inspire du cours de l'ecole thematique du CNRS [67].
L'ablation est le resultat d'une competition entre l'echau ement par le la- ser et le refroidissement par conduction thermique dans le barreau metallique. Nous devons donc nous interesser successivement a ces deux phenomenes et aux grandeurs qui le caracterisent.
Deux grandeurs caracteristiques du metal :
La frequence a partir de la- quelle les metaux sont transparents au rayonnement, les electrons n'ayant plus le((temps)) de reagir devant la frequence d'oscillation de l'onde electromagnetique
incidente, est appelee frequence plasma et s'exprime par la relation :
!2p = Nem20 (2.1) ou N est le nombre d'electrons libres dans le metal par unite de volume, e est la charge elementaire,0 est la permitivite dielectrique du vide et mest la masse de
l'electron.
En adoptant l'approche classique qui veut que les electrons de conduction jouent un r^ole dominant pour l'absorption du rayonnement, et que la redistribu- tion de l'energie se fasse par collision entre les electrons et le reseau (modele des electrons libres), nous pouvons utiliser la relation deDrudequi relie la frequence de relaxation collective a la frequence plasma et a la conductivite du metal :
!e = 0!2p (2.2)
Au-dela de cette frequence, l'amplitude d'oscillation des electrons devient trop faible pour que ceux-ci puissent interagir avec la matrice. Le rayonnement n'est pas absorbe, mais re echi. Nous pouvons par ailleurs noter, que l'on a toujours
!e < !p car la conductivite des metaux est toujours inferieure a 108 S.m;1.
Il convient de comparer la propagation thermique a la penetration de l'energie, car l'evaporation ne peut se faire que si l'energie reste concentree.
Localisation spatiale de l'energie :
La profondeur de penetration du rayon- nement dans le metal aem, aussi appelee epaisseur de peau, est liee au modephysique de reaction des electrons3. Ainsi dans le cas ou !
!e, c'est-a-dire
dans le cadre d'une absorption, nous avons :
aem r 0C2 2! (2.3) C 2!p r 2!!e (2.4)
ou C est la vitesse de la lumiere, tandis que lorsque l'onde est re echie, soit
!e ! < !p nous avons :
aem
C
2!p (2.5)
Par ailleurs, la resolution de l'equation de propagation de la chaleur donne pour l'evolution des isothermes au bout d'un temps , largeur de l'impulsion laser, la formule suivante :
ath = 2
s
Vmol
Cp (2.6)
avec Vmol le volume molaire, le coecient de di usion thermique et Cp la ca-
pacite calori que molaire a pression constante.
Ainsi, si a la n de l'arrivee du train d'onde, ath aem, alors l'energie
electromagnetique reste ((stockee )) a la surface du metal, et l'evaporation peut
avoir le temps de se produire; en d'autres termes, la zone d'impact sur le barreau metallique se comporte pendant quelques nanosecondes comme un microcreuset dans lequel peut avoir lieu la vaporisation. En revanche, si ath aem, alors
l'energie deposee sur le metal est immediatement repandue sur tout le volume du barreau et l'evaporation est impossible.
Mecanisme de l'evaporation :
Si la di usion de l'energie dans le volume est plus faible que l'apport d'energie laser, la temperature de la surface augmente avec la penetration de l'impulsion. La surface va tout d'abord se lique er localement avant de se vaporiser, si l'energie apporte est localement susante. En supposant le pro l temporel du laser proche d'un creneau de largeur et d'intensite I0, ilfaut que : I0 > Imin = r Cp 4AVmol (Tvap;T0+ Hfus Cp ) (2.7)
3Nous supposons ici que le regime stationnaire est immediatement etabli lors de l'impact du
32 2.1. La source d'agregats ioniques
avecTvaptemperature de vaporisation du metal,T0 temperature ambiante, Hfus
chaleur latente de fusion et A le coecient d'absorption du faisceau laser.
L'application numerique pour le cobalt et l'or donne environImin 10
;4W.cm;2.
L'ionisation :
Les premieres ionisations se produisent soit par collision a haute energie entre les particules ejectees et le gaz tampon present au moment de la va- porisation, soit par absorption multiphotonique du faisceau laser4. L'atmosphereenvironnant le barreau ne peut ^etre a l'origine des premiers electrons liberes car l'energie d'ionisation de l'helium est de 24,59 eV et celle de l'eau 12,66 eV, valeurs plus elevees que les energies d'ionisation des metaux (voir Annexe A).
Par la suite, ces electrons absorbent le rayonnement laser par e et Brem- strahlung inverse (acceleration par interaction avec un photon), ce qui accro^t leur energie et par consequent leur energie de collision avec les especes presentes. Ces collisions a haute energie entra^nent une avalanche d'ionisation [68] par un e et du type photoelectrique (ionisation par collision d'electron). Dans les condi- tions de l'evaporation e ectuee, le temps de ((chau age )) des electrons est de
l'ordre de 2 ns. Au dela de ce temps, l'intensite du laser qui atteint le barreau est plus faible car absorbee en partie par les electrons, et la vaporisation est donc plus reduite. Apres les 2 ns de vaporisation, succede une periode d'ionisation.
La proportion de particules ionisees par rapport aux atomes ablates est es- timee a environ 10;4, a cause de toutes les recombinaisons possibles a la n de
l'irradiation.
Pour le premier (resp. quatrieme) harmonique du YAG (1064 nm, resp. 213 nm), ce temps de transition est environ de 0,2 ns (resp. >10 ns). De facon plus gene- rale l'ionisation se produit d'autant plus tard que la longueur d'onde est petite. A energie donnee et temps d'impulsion impose, il existe donc un optimum dans la longueur d'onde du laser utilise a n d'avoir susamment vaporise tout en ayant susamment ionise. Les ordres de grandeur evoques precedemment justi- ent l'utilisation du deuxieme harmonique du YAG pour l'application a laquelle nous le destinons.
Nombre d'atomes et d'ions formes :
Considerant, comme vu plus haut, que le laser vaporise pendant les 2 premieres ns de l'impulsion, nous pouvons donc estimer le nombre d'atomes et d'ions formes (voir donnees sur les metaux en annexe A). Le nombre d'atomes est donne par :n = (I0;Imin)S A
Hfus (2.8)
4L'energie d'un photon du YAG a 532 nm est de 2,33 eV pour des energies d'ionisation de
ouS est la surface recouverte par le laser sur le barreau, et Hfus est l'enthalpie
de vaporisation. L'application numerique donne pour le cobalt et l'or environ 5.1014 atomes.
Le nombre d'ions est donc d'environ 5.1010. Beaucoup d'entre eux se retrou-
veront sur les ecorceurs et sur les parois des tubes conduisant a la detente super- sonique. Vu les angles solides en sortie de buse, nous estimons a 1 % le nombre d'ions qui parviennent au niveau du dispositif deWiley - McLaren, soit envi- ron 5.108 ions par impulsion.