MESURE DE LA PRESSION INDUITE SUR UNE CIBLE METALLIQUE PAR UN LASER CO2 IMPULSIONNEL

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MESURE DE LA PRESSION INDUITE SUR UNE

CIBLE METALLIQUE PAR UN LASER CO2

IMPULSIONNEL

Ph. Bournot, J. Caressa, C. Créput, G. Inglesakis, D. Dufresne, J. David, G.

Bosca

To cite this version:

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JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C9, supplément au n°ll, Tome 41, novembre 1980, page C9-81

MESURE DE LA PRESSION INDUITE SUR UNE CIBLE METALLIQUE PAR UN LASER C0

2

IMPULSIONNEL

Ph. Bournot, J . P . Caressa, C. Créput, G. Inglesakis, D. Dufresne, J. David et G. Bosca . Institut de Mécanique des Fluides de Marseille, 1, vue Honnorat, 13003 Marseille, Fronde C.S.A. Limeil - Service H.D.E., 94190 Villeneuve Saint-Georges, France.

Résume.- Des mesures de pressions induites au cours de l ' i n t e r a c t i o n d'un laser CO2 impulsionnel de puissance avec une cible d'aluminium, ont été effectuées à l ' a i d e de capteurs rapides. I l a été pos-sible d'étudier l'évolution de la pression au niveau de la cible quand la pression de l ' a i r ambiant varie de 760 Torr à 0,5 Torr. L'influence de la forme de l'impulsion laser sur le couplage mécanique I/E (impulsion mécanique I, rapportée à l'énergie laser E) a été mise en évidence. Des pressions é l e -vées 1,7 kbar et des couplages mécaniques importants (20 dyne sec/J) ont été obtenus.

INTRODUCTIOM

Quand on éclaire une cible métallique avec un rayonnement laser d'intensité supérieure à

7 -2

10 W.cm , on provoque une évaporât ion rapide de la cible. Cet effet est accéléré par la présence d'im-perfections et d'inhomogénéités qui se trouvent à la surface. La vapeur initie rapidement dans l'air environnant une couche de plasma absorbant se propageant vers le laser, onde L.S.D. (onde de déto-nation entretenue par laser). Cette onde induit une pression au niveau de la cible. Quand la densi-té de l'air ambiant est faible, l'initiation de la L.S.D. n'est plus possible. Avec les impulsions laser CO utilisées habituellement (quelques Usée et 10' W.cm ) et des cibles métalliques, il se pro-duit une évaporation importante de la cible et un claquage de la vapeur. La pression induite sur la surface de la cible est alors due à l'éjection de la vapeur et à un claquage de celle-ci. (Sous cer-taines conditions, ce plasma augmente le couplage entre l'énergie laser et la cible).

Dans les études expérimentales antérieures portant sur 1'interaction entre un rayonnement la-ser impulsionnel et une cible solide plane dans une atmosphère raréfiée, le couplage est déterminé soit par la mesure de la pression au cours du temps

] 1-2-31, soit par des pendules balistiques |4|. Les différents résultats concernant la pression induite sur la cible sont en accord avec la théo-rie des ondes L.S.D. quand la pression ambiante est suffisante pour initier et propager ce type d'onde. Par contre, quand la pression ambiante est infé-rieure au seuil de la L.S.D., les résultats sont en désaccord entre eux. Me Mordie et al ]l] ob-tiennent une pression de 200 bar avec des cibles en aluminium poli placées dans une enceinte conte-nant 0,1 torr d'air. Beverly et al J2| ont mesuré des pressions faibles pour des conditions expéri-mentales analogues. Boiko et al [3| donnent l'évo-lution de la pression induite sur des cibles en plomb en fonction de la pression ambiante avec un Abstract.- Measurements of induced pressures during the interaction of a CO2 pulsed laser with an aluminium target have been carried with the help of fast gauges. It has been possible to investigate the evolution of the pressure on the target surface while the ambiant air pressure varies from 0.5 Torr to 760 Torr. The influence of the shape of the laser pulse upon the mechanical coupling I/E

(ratio of the mechanical impulse I to the laser energy E) has been shown. High pressures - 1.7 kbar-and significant mechanical coupling (20 dyne sec/J) have been obtained.

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JOURNAL DE PHYSIQUE Cg-82

minimum t r è s marqué c o r r e s p o n d a n t à l a f i n du ré- gime d'onde L.S.D.

C e t t e é t u d e d é c r i t l e s mesures de l a p r e s s i o n i n d u i t e s u r des c i b l e s en aluminium p a r l e rayonnement d ' u n l a s e r CO2 i m p u l s i o n n e l . E l l e p o r t e p l u s p a r t i c u l i è r e m e n t s u r l ' i n f l u e n c e de l a p r e s s i o n ambiante e t d e l a forme d e l ' i m p u l s i o n l a s e r s u r l e couplage mécanique dans des c o n d i t i o n s expérimenta- l e s d i f f é r e n t e s de c e l l e s des é t u d e s a n t é r i e u r e s

(grande t a c h e d ' i n t e r a c t i o n homogène e t c a p t e u r s de

i n t é r i e u r e t e x t é r i e u r d e 5 cm e t 8 cm. Deux formes d ' i m p u l s i o n o n t é t é u t i l i s é e s , l a premikre (impul- s i o n 1 ) e s t c o n s t i t u é e d ' u n p i c d'une durée à m i

-

h a u t e u r de 50 nsec e t d ' u n e queue de 2 , 5 Usec e n v i r o n . La seconde ( i m p u l s i o n 2 ) e s t c o n s t i t u é e seulement d ' u n p i c de 50 ns de durée à mi-hauteur. Le f a i s c e a u l a s e r e s t f o c a l i s é à l ' a i d e d ' u n m i r o i r s p h é r i q u e de 10 m de f o c a l e ( F i g . 1). La c i b l e e s t p l a c é e à 9 mètres du m i r o i r de f o c a l i s a t i o n . A c e t t e p o s i t i o n , l e s a b e r r a t i o n s s p h é r i q u e s du m i - p r e s s i o n s r a p i d e s ) . Des v a l e u r s é l e v é e s de l a p r e s - r o i r e t l a d i f f r a c t i o n a n n u l a i r e p e r m e t t e n t d ' o b t e - s i o n e t des couplages mécaniques i m p o r t a n t s o n t pu n i r une t a c h e homogène. Une é t u d e de l a r é p a r t i t i o n ê t r e o b s e r v é s . s p a t i a l e de l ' i n t e n s i t é lumineuse au niveau de l a

DISPOSITIF EWERIMENTAL

c i b l e a é t é r é a l i s é e a v e c des f i l m s s e n s i b l e s 3 l ' i n f r a - r o u g e a n a l y s é s au moyen d ' u n microdensi- Laser

tomètre ( f i l m Kalvar F i g . 2 ) . La t a c h e Lur l a c i b l e Le l a s e r u t i l i s é e s t u n l a s e r T . S . A . p r é i o n i s é a un d i a m è t r e de 1 , 5 cm e t l ' i n t e n s i t é lumineuse p a r canon à é l e c t r o n f o n c t i o n n a n t en o s c i l l a t e u r ₇ -2 e s t r e s p e c t i v e m e n t de 3 , 5 . 1 0 W.cm pour l a queue avec une c a v i t é o p t i q u e i n s t a b l e . Ce l a s e r p e u t 8 de l ' i m p u l s i o n e t de 1 , 5 . 1 0 W.cm-* pour l e p i c . é m e t t r e des impulsions de 200 J - 2 , 5 p s e c . Le f a i s c e a u l a s e r e s t a n n u l a i r e avec des d i a m s t r e s

C : CHAMBRE A VIDE PD : DETECTEUR PHOTON-DRAG V : RACCORD A LA POMPE A V I D E BS : FENETR-: NaCl

S : HUBLOT DE SPECTROSCOPIE M16 : M R O I R

PLAN

P : HUBLOT DE PHOTOGRAPHIÉ M~ : MIROIR SPHERIQUE T : CIBLE

(4)

Pression

Les mesures de pression ont été effectuées à l'aide de capteurs piézorésistifs au carbone 151. Ces jauges possèdent un élément actif de

2

1,27 x 0,635 mm et sont collées entre la cible de 1 m d'épaisseur et un culot de 5 cm d'épaisseur. Le culot et la cible sont circulaires et ont un diametre de 6

cm.

L'ensemble est placé

à l'intérieur d'un blindage en'cuivre (~ig.3) afin d'atténuer les parasites électromagnétiques.

E

UNITES ARBITRAIRES

f-7--7

Fig.2 REPARTITION SPATIALE DE L'ENE-IE DANS LA TACHE D'INTERACTION

A

: SORTIE DU SIGNAL JAUGE B : CABLE COAXIAL C : BLINDAGE ELECTROMAGNETIQUE E : ETANCHEITE

G

: JAUGE CARBONE T : CIBLE

( 4

6 0 mm, e = 1 mm) S : SUPPORT ALUMINIUM

(0

60 mm, e = 50 mm) L : FAISCEAU LASER

FIG.3 MONTAGE DES JAUGES DE PRESSION

L'alimentation des capteurs est assurée par une alimentation pulsée mise au point par le C.E.A. Limeil, délivrant une tension maximale de 60 volts et d'une durée variant de 50 usec

A

1 m e c . Dans nos expériences, les capteurs ont été alimentés avec une tension de 55 volts pendant 50 psec. Le temps de réponse de l'ensemble est inférieur à 10 ns. L'étalonnage des jauges fournies par le construc- teur a été vérifié en dynamique avec un canon à air dans les laboratoires du C.E.A. Le montage comprenant cible, jauge, blindage, est placé dans une chambre en acier inoxydable dans laquelle on

-

2

réalise un vide de 10 Torr. Avant chaque expé- rience, on remplit la chambre avec de l'air sous une pression variant de 1 Torr à 760 Torr. La surface de la cible ne subit aucun traitement spécial et est seulement nettoyée avec de l'alcool. Entre chaque tir laser, la surface de la cible n'est pas reconditionnée, les résultats étant suffisamment répétitifs pour justifier cette façon de procéder. RESULTATS

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Fig.4 OSCILLOGRAMMES MONTRANT L'IMPULSION LASER

ET

LA

PRESSION CIBLE POUR DES VALEURS LIFFE- RENTES DE LA PRESSION AMBIANTE.

a) Forme de l'impulsion laser recueillie par un détecteur photon-drag.

b)304 Torr, 5 mV/diV, c)228 Torr, 10 mV/diV d)190 Torr, 10 mV/diV, e)152 Torr, 10 mV/diV

f) 98 Torr, 50 mV/diV, g) 76 Torr, 50 mV/diV h) 50 Torr,100 mV/diV, i)4,5 Torr,100 mV/diV

La vitesse de balayage est de 1 usec/diV. Le signal observé avant l'impulsion laser sur les oscillogrames (b) à (i) est un signal parasite de déclenchement.

La figure 5 montre un enregistrement réalisé avec une pression ambiante rkdùite de 0,5 Torr. L'écart

temporel entre les deux signaux correspond au temps 'de transit du choc dans la cible d'aluminium. L'évolution de la pression maximale induite sur la cible en fonction de la pression ambiante est don- née sur la figure 6. Les résultats donnés sont la moyenne de plusieurs essais et ont été obtenus

en faisant décroître puis croître la pression

Fig.5 O S C I L L O G R M S MONTRANT L'IMPULSION LASER ET LA PRESSION CIBLE POUR

P

= 0,5 TORR

Sensibilité : 100 mv/diva

Vitesse de balayage : 50 nsec/diV.

Fig.6 EVOLUTION' DE LA PRESSION CIBLE EN FONCTION DE LA PRESSION AMBIANTE Pa

Pour une pression ambiante supérieure à 300 Torr, la pression mesurée sur la cible varie comme (p)'l3. Au-dessous de 300 Torr, l'amplitude du signal augmente pour atteindre la valeur de 1,7 kbar B la pression ambiante de 1,5 Torr. Une évolution analogue est observée avec l'impulsion laser 2.

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F i g . 7 COUPLAGE MECANIQUE EN FONCTION DE Pa P u l s e 1 P u l s e 2 Dans l e c a s de l ' i m p u l s i o n 1, l e c o u p l a g e mécanique é v o l u e peu e n f o n c t i o n d e l a p r e s s i o n a m b i a n t e e t e s t v o i s i n d e 2 dyne s e c / J . Ce r é s u l t a t e s t e n a c c o r d a v e c l e s t r a v a u x a n t é r i e u r s q u i o n t mesuré l e c o u p l a g e p a r p e n d u l e b a l i s t i q u e 141

.

Pour l ' i m p u l s i o n 2: p a r c o n t r e , I / E e s t f o r t e m e n t d é p e n d a n t d e P

.

Pour P s u p é r i e u r à 300 T o r r , l a v a l e u r de I / E e s t comparable à c e l l e o b t e n u e a v e c l ' i m p u l s i o n 1, mais on o b s e r v e d e s v a l e u r s d i x f o i s p l u s é l e v é e s pour P f a i b l e ( 2 0 dyne sec/^). Ce r é s u l t a t s ' e x - p l i q u e p a r l a forme du s i g n a l de p r e s s i o n o b t e n u dans l e c a s où l ' a i r ambiant e s t r a r é f i é . En e f f e t , l a forme du s i g n a l e s t i n d é p e n d a n t e de l a forme de l ' i m p u l s i o n l a s e r u t i l i s é e e t comme p o u r l ' i m - p u l s i o n l a s e r 2 , l a d u r é e du s i g n a l d e p r e s s i o n e s t p r a t i q u e m e n t é g a l e à l a d u r é e d e l ' i m p u l s i o n l a s e r , l e c o u p l a g e mécanique e s t a l o r s optimum. Un phéno- mène a n a l o g u e 161 a é t é o b s e r v é d a n s l e c a s d ' u n e L.S.D. d a n s l ' a i r mais l ' a u g m e n t a t i o n de I / E e s t s e u l e m e n t de 30 %. DISCUSSIONS De l ' a n a l y s e d e l a forme d e s s i g n a u x d e p r e s s i o n e t d e s v a l e u r s maximales o b t e n u s e n f o n c t i o n d e l a p r e s s i o n a m b i a n t e , o n p e u t d i s t i n g u e r t r o i s régimes : a ) quand l a p r e s s i o n a m b i a n t e e s t s u p é r i e u r e à 300 T o r r e n v i r o n , l a p r e s s i o n i n d u i t e s u r l a c i b l e e s t due à l a p r o p a g a t i o n de l a L.S.D. d a n s l ' a i r . Dans l a f i g u r e 6 , s o n t r e p r é s e n t é e s l e s v a l e u r s d e l a p r e s s i o n c a l c u l é e s 3 p a r t i r d e l a t h é o r i e des ondes L.S.D. 17) en p r e n a n t comme i n t e n s i t é l a s e r c e l l e c o r r e s p o n d a n t ?I l a queue d e l ' i m p u l s i o n l a s e r .

b ) Quand l a p r e s s i o n a m b i a n t e e s t d e q u e l q u e s T o r r , l ' i n i t i a t i o n e t l a p r o p a g a t i o n d e l a L.S.D. dans l ' a i r n e s o n t p l u s p o s s i b l e s . I l s e p r o d u i t une é v a p o r a t i o n e t un c l a q u a g e dans l a v a p e u r , comme l e m o n t r e n t l e s s p e c t r e s o b t e n u s dans l e s q u e l s d e s r a i e s c a r a c t e r i s t i q u e s de l ' a l u m i n i u m e t d e l ' a l u m i n i u m i o n i s é o n t é t é i d e n t i f i é e s . Les v a l e u r s i m p o r t a n t e s m e s u r é e s peuvent s ' e x p l i q u e r p a r l ' a u g m e n t a t i o n du c o u p l a g e e n t r e l e rayonnement l a s e r e t l a c i b l e p a r l e plasma. ?, 2 En e f f e t , l e s v a l e u r s d e f l u e n c e ( - 30 J/cm ) ₁₈₁ e t d ' i n t e n s i t é l a s e r u t i l i s é e s 191 s o n t s u p é r i e u r e s au s e u i l d e c o u p l a g e p a r plasma e t e n u t i l i s a n t l e s r é s u l t a t s de N i e l s e n 110) on t r o u v e une p r e s - s i o n d e l ' o r d r e d e 2 k b a r e t un c o u p l a g e mécanique d e 20 dyne s e c / J , e n s u p p o s a n t un c o e f f i c i e n t d e c o u p l a g e plasma d e 0 , 5 . Les p r e s s i o n s mesurées s o n t s u p é r i e u r e s à c e l l e s o b t e n u e s dans l e s é t u d e s expé- r i m e n t a l e s a n t é r i e u r e s . L ' é c a r t e n t r e l e s r é s u l t a t s e s t e n p a r t i e dû a u x c o n d i t i o n s e x p é r i m e n t a l e s . Dans n o t r e c a s , l ' u t i l i s a t i o n d ' u n m i r o i r de l o n g u e f o c a l e donnant une t a c h e d ' i n t e n s i t é homogène e t de c a p t e u r s de p r e s s i o n r a p i d e s .a permis de mesu- r e r l e s v a l e u r s maximales de l a p r e s s i o n , t a n d i s que l e s p r e s s i o n s mesurées a v e c d e s c a p t e u r s q u a r t z

11-21 e t ( 3 1 s u r une t a c h e d ' i n t e r a c t i o n non

-

homogOne ou d e s c a p t e u r s p i é z o r é s i s t i f s 121 d o n t l e temps de montée e s t l o n g comparé au s i g n a l , s o n t des v a l e u r s moyennes.

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Cg-86 JOURNAL DE PHYSIQUE

q u e l q u e s T o r r , e s t d i f f i c i l e à i n t e r p r é t e r . I l s e 3) V.A. BOIKO, V.A. DANILYCHEV, B.N. DWANOV, V.D. ZVORYKIN, I . V . KHOLIN a n d A. Yu. CHAGONOV, p r o d u i t 3 l a f o i s un c l a q u a g e d e l ' a i r a m b i a n t , u n e Sov. J . Quantum E l e c t r o n . , Vo1.7, N04, p . 4 6 5 ,

A p r i l 1 9 7 7 . v a p o r i s a t i o n e t un c l a q u a g e d e l a vapeu-r. La p r e s -

4 ) V.H. SHUI; L.A. YOUNG and J . P . REILLY, A.I.A.A. s i o n i n d u i t e s u r l a c i b l e e s t c e r t a i n e m e n t d u e à 1 6 t h A e r o s p a c e S c i e n c e s M e e t i n g , N.78.175,1978. 5 ) J a u g e c a r b o n e t y p e BJ.15-300 E d e Dynasen I n c . p l u s i e u r s mécanismes : é j e c t i o n d e , l a v a p e u r , G o l e t a , C a l i f o r n i a , U.S.A.

c l a q u a g e d e l a v a p e u r , c l a q u a g e d e l ' a i r , onde d e 6 ) J . F . READY, Appl. P h y s . L e t t . 2 5 , 5 5 8 , 1974. c o m b u s t i o n e n t r e t e n u e p a r l a s e r , (L.S.C.)

...

7) A.N. PIRRI, P h y s . F l u i d 26, 1 4 3 5 , 1 9 7 3 .

8 ) S . MARCUS, J .E. LOWDER a n d D. L . MOONEY, J .A.P

.

, q u ' i l e s t d i f f i c i l e d e d i s t i n g u e r p a r l a s e u l e Vo1.47, N", p . 2966, J u l y 1976.

9 ) J . A . McKAY and J . F . SCHRIEMPF, J . A p p l . P h y s . m e s u r e d e l a p r e s s i o n . 50, N05, 1 9 7 9 . 10)P.E. NIELSEN, J . A . P . 5 0 ( 6 ) p . 3 9 3 8 , J u n e ,1979. CONCLUS I ON Avec nos c o n d i t i o n s e x p é r i m e n t a l e s p a r t i c u - l i è r e s , à s a v o i r c a p t e u r s r a p i d e s e t t a c h e d ' i n t e - r a c t i o n homogène, d e s v a l e u r s Q l e v é e s d e p r e s s i o n s i n d u i t e s s u r l a c i b l e e t d e s c o u p l a g e s m é c a n i q u e s i m p o r t a n t s o n t é t é o b s e r v é s . S i p o u r d e s v a l e u r s d e l a p r e s s i o n a m b i a n t e s u p é r i e u r e s à 300 T o r r e t i n f é r i e u r e s à q u e l q u e s T o r r , i l e x i s t e d e s modè- l e s s i m p l e s s a t i s f a i s a n t s ( o n d e s L.S.D. e t c o u p l a g e p a r p l a s m a ) , il n ' e n e s t p a s d e même p o u r l e s va- l e u r s i n t e r m é d i a i r e s . I l e s t n é c e s s a i r e p o u r d é t e r - m i n e r l e s d i f f é r e n t s mécanismes p o s s i b l e s d e com- p l é t e r , p a r e x e m p l e , l e s m e s u r e s d e p r e s s i o n p a r d e s m e s u r e s d e c o e f f i c i e n t s d ' a b s o r p t i o n d e l a c i - b l e e t d u p l a s m a a u c o u r s d e l ' i n t e r a c t i o n . REMERCIEMENTS C e t t e é t u d e a é t é r é a l i s é e d a n s l e c a d r e d ' u n e c o n v e n t i o n D.R.E.T. Les a u t e u r s r e m e r c i e n t p a r t i c u l i è r e m e n t M. SAMSON p o u r l e c o l l a g e e t l e montage d e s j a u g e s q u ' i l a e f f e c t u é s a u C.E.A. L i m e i l ( S e r v i c e H.D.E .)

.

REFERENCES 1 ) J . A . Mc MORDIE a n d P.D. ROBERTS, J . P h y s . D. A p p l . P h y s . , Vo1.8, 1975.