GÉNÉRATION D'ONDES ÉLASTIQUES PAR PRESSION DE RADIATION LASER

(1)

HAL Id: jpa-00213170

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00213170

Submitted on 1 Jan 1967

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

GÉNÉRATION D’ONDES ÉLASTIQUES PAR

PRESSION DE RADIATION LASER

M. Bruma

To cite this version:

(2)

GÉNÉRATION D'ONDES ÉLASTIQUES PAR PRESSION DE RADIATION LASER

par M. BRUMA

C . N. R. S., Laboratoires de Bellevue, France.

Résumé.

-

Des expériences récentes, effectuées aux Laboratoires du C . N. R. S. à Bellevue, ont permis la détection d'ondes élastiques initiées par la pression de radiation Laser dans divers échantillons métalliques. Une technique simple consiste à utiliser des barreaux cylindriques à faces planes parallèles (l'équivalent acoustique du Fabry-Pérot) l'une des faces étant irradiée par l'impul- sion Laser, tandis que l'autre face est solidaire d'un détecteur piézoélectrique, par exemple un disque mince de titanate de barium, dont on affiche la réponse sur un tube cathodique : on constate l'apparition d'un train d'oscillations caractéristiques du phénomène de battements entre ondes élastiques de fréquences différentes. La fréquence la plus élevée ( f ) est déterminée par le diamètre (D) du barreau, et indépendantede la longueur, suivant l'expression : f . D = V, caractéristique

d'une onde élastique transversale se propageant à la vitesse V, qu'il est possible de déterminer

expérimentalement par le rapport entre la longueur (L) du barreau et le retard ( A t ) séparant i'impulsion Laser de la réponse initiale du détecteur piézoélectrique. Les mesures effectuées sur des barreaux longs (L = 300 cm) en acier inoxydable et en aluminium sont en bon accord avec les valeurs conventionnelles des vitesses de propagation des ondes élastiques transversales dans les matériaux mentionnés.

L'ensemble de ces résultats montre que la pression exercée par irradiation Laser de surfaces métalliques réfléchissantes provoque l'apparition d'ondes élastiques se propageant à ,l'intérieur de l'échantillon irradié, ondes dont les fréquences sont déterminées par la géométrie de l'échan- tillon d'une part, et la vitesse de propagation du son dans la matière considérée d'autre part.

Abstract.

-

Evidence is presented of elastic waves induced in nletals when irradiated with pulsed laser beams. The experimental technique is based on the acoustic equivalent of the Fabry- Perot resonator : a metal rod with plane, parallel, polished end faces. A piezoelectric transducer

(ceramic disc), is attached to one face, the opposite face being irradiated by the laser beam. Variations of rod length, diameter, reiiectivity of the irradiated face, also of the energy, time duration, power and cross section of the incident laser pulse are correlated with the response of the piezoelectric transducer on the screen of a double beam oscillograph.

Results are presented for metal rods of a length up to 300 cm and diameter up to 2.5 cm, irradiated with conventional and Q-switched Ruby Laser pulses of 1 to 10 joules energy, focused and unfocused. The elastic waves, detected with bariurn titanate, also with PTZ discs, appear as beats between components of diffsrent frequencies. The highest frequency component ( f ) is correlated with the rod diameter ( D ) and independant of the rod length, following the relation : f . D = V,

for transverse elastic wave propagation.

The velocity at which the elastic wave travels down the rod (V) is given by the ratio of the rod length (L) to the time delay ( A t ) between the laser pulse and the initial response of the piezoelectric transducer. Experimental data obtained with long rods (L = 300 cm) of stainless steel and aluminium are in good agreement with conventional values for transverse elastic wave velocity.

This, and other results, shows that radiation pressure, exclusive of thermal effects, is respon- sible for elastic wave generation in metals irradiated by a pulsed laser beam.

1. Position du problème. - La pression de radia- J = intensité laser incidente watt/m2 tion exercée par une onde électromagnétique sur une (1)

P

= 2 J/C C = 3 x 10' mètresfs vitesse d e la surface parfaitement réfléchissante est un concept clas- lumière

sique exprimé par la relation : P = pression en Newton/m2

(3)

C 1

-

130 M. BRUMA

et représente la densité d'énergie (joules/m3) transférée par le rayonnement électromagnétique au système réfléchissant. En langage quantique la pression de radiation s'interprète en considérant la surface réflé- chissante constituée d'atomes qui absorbent les photons incidents pour les re-émettre aussitôt, sans chan- gement de fréquence. Or, pendant i'absorption, l'atome a subi l'impulsion du photon incident, tandis que pendant l'émission du même photon, i'atome a subi une impulsion de recul égale à l'impulsion incidente. Dans ces conditions il n'y a pas d'échange quantique d'énergie,

-

la fréquence des photons réfléchis étant la même que celle des photons incidents -ce qui veut dire que l'énergie de recul est dissipée sous forme élastique dans le milieu.

L'onde élastique, amorcée par la pression de radiation (P) se propage avec la vitesse du son (V) dans le milieu, l'intensité élastique (JE) s'exprimant par la relation classique : JE = P. V , et en tenant compte de la relation (1) on peut écrire :

L'onde élastique ainsi amorcée entraîne une oscilla- tion sinusoïdale de pression AP, contrairement à la pression de radiation qui est unidirectionnelle. L'amplitude A P de cette onde de pression sinusoïdale s'exprime en fonction de l'impédance acoustique Z du milieu (2 = densité x vitesse du son) et de l'intensité de l'onde élastique

(JE)

par la relation classique :

En substituant (2) on peut écrire :

ce qui permet d'évaluer l'amplitude de la pression sinusoïdale induite par irradiation Laser. Ainsi, pour la plupart des solides, (V/C)

=

et 2

=

106 dyne.s.cmF3. Si on considère une irradiation d'inten- sité J = IO3 watts/cm2, aisément réalisable par impulsion Laser non focalisée, alors on calcule : A P

=

0,63 x 106 dynes/cm2 soit une variation de pression d'environ 112 atmosphère.

Comme on dispose de transducteurs piézoélectriques classiques

-

titanate de barium, zirconate-titanate de plomb (PTZ)

-

dont la sensibilité est de l'ordre du volt par atmosphère dans la gamme ultra-sonore, il devient intéressant de mettre en évidence, par des moyens simples, l'onde élastique amorcée par la pression de radiation Laser, et vérifier ainsi les considéra- tions précédentes.

O

FIG. 1. - Schéma du dispositif expérimental E : Échantillon métallique cylindre de longueur L et

diamètre D.

T : Transducteur piézoélectrique. Disque en titanate de barium ou en PTZ-4.

R : Résistance sur laquelle débite le transducteur (103 à 107 ohms).

C : Cellule photo-résistante en silicium (Type SD 100).

A l A+ : Amplificateurs de l'oscillographe bi-canon Tektronix

555.

r : Durée de i'impulsion incidente Laser.

At : Retard à l'apparition de l'onde élastique de fréquence f.

V : LlAt : Vitesse de propagation de I'onde élastique.

II. Le dispositif expérimental. - PRINCIPE DE LA

(4)

électrique et dans ces conditions il est possible de mesurer la vitesse de propagation de l'onde élastique, d'après la relation simple : V = LJAt, voir la légende de la figure no 1.

CHOIX DES PARAMÈTRES.

-

Il est évident de ce qui

précède qu'il est possible d'effectuer un nombre consi- dérable de mesures en faisant varier successivement les paramètres suivants :

-

nature des échantillons (fer, acier, aluminium et alliage, cuivre et alliage, etc.),

FIG. 2.

-

Dispositif expérimental.

A) Laser (construit au Laboratoire C . N. R. S., Bellevue) irradiant un barreau d'aluminium, diamètre : 2,5 cm, longueur 120 cm, portant un détecteur piézoélectrique solidaire de la face inférieure. Une cellule photorésistante en silicium est placée au voisinage immédiat de la face irradiée de manière à être illuminée par une fraction des photons réfléchis ou diffusés par l'échantillon. Un oscillographe cathodique à double canon enregistre simultané- ment, sur deux traces, la réponse de la cellule photo-résis- tante et celle du détecteur piézoélectrique.

B) Tête Laser inclinée à 4 5 O pour i'irradiation d'un barreau d'une longueur de 300 cm, le détecteur piézoélectrique n'est plus visible sur la photo.

-

état physique des échantillons (monocristal ou polycristallin, avec ou sans défaut interne, ayant subi ou non un traitement thermique, etc.),

-

dimension des échantillons : diamètre, longueur ;

- réflectivité de la surface irradiée, polissage, etc. ;

paramètres concernant le faisceau Laser :

-

la longueur d'onde (Rubis : 6 943

A,

Nd' + :

10 600

A)

;

-

le mode de fonctionnement : relaxé ou déclenché ;

(5)

C 1

-

132 M. BRUMA

- faisceau parallèle, divergeant, convergeant ou talement, correspondant à un détecteur type PTZ-4, focalisé sur la surface métallique, angle d'incidence diamètre 25 mm, épaisseur 1 mm.

par rapport à la normale à la surface.

En ce qui concerne les transducteurs piézoélectriques, ils se présentent sous forme d'un disque ayant le dia- mètre très voisin de celui de l'échantillon et une épais- seur inférieure au 1/10 de la valeur du diamètre. Parmi les plus usuels nous citons les céramiques telles que :

titanate de barium, zirconate-titanate de plomb (PTZ). Les transducteurs en quartz ou en sel de Rochelle ne s'imposent pas, ces matériaux étant généralement plus coûteux et moins sensibles que les compositions céramiques citées ci-dessus. Les transducteurs utilisés provenaient des Sociétés : Quartz et Silice, Réf. T 51 et Brush Clevite, Réf. PTZ-4. Dans les deux cas les

disques sont livrés argentés sur les deux faces et les

III. Résultats. - Les oscillogrammes des planches (Fig. 3, 4 et 5) résument les résultats significatifs

obtenus à ce jour, de même que le tableau no 1. Ainsi, la planche figure 3 concerne l'irradiation d'un barreau d'aluminium, L = 300 cm ; D = 2,8 cm ;

avec un faisceau Laser non focalisé, section droite 1,6 cm2, émis par un rubis fonctionnant en relaxé, énergie 5 joules, durée totale d'émission 800 ps. Le transducteur piézoélectrique (PTZ-4) est un disque de 2,56 cm de diamètre, épaisseur 1 mm, coefficient de couplage électro-mécanique : K = 0,76 ; sensibilité en tension : g = 1,23 x IO-' (Volts/m)~(Newton/mZ), fourni par la Brush Clevite Co., Ltd.

contacts électriques s'effectuent soit par soudure, soit par pression à l'aide d'un ruban adhésif.

L'amplification du signal électrique recueilli aux bornes du transducteur peut s'effectuer de deux manières :

a) Le transducteur ne débite que sur l'impédence d'entrée de l'amplificateur et dans ce cas celle-ci doit être de l'ordre de 106 à IO7 ohms.

b) Le transducteur débite sur une résistance conve-

nablement choisie. Nous attirons l'attention sur le fait que dans ce dernier cas il est possible, toutes choses égales, de rechercher la puissance maximale fournie par le transducteur par variation de ladite résistance. Une valeur de 1 200 ohms a été déterminée expérimen-

enregistrement supérieur : 20 millivolts par division ; enregistrement inférieur : 1 volt par division

FIG. 3. - Aluminium L = 300 cm ; D = 2,s cm ;

lm

RG. 3a. - 5 ms/division ; en ordonnée, enregistrements

supérieur : 20 millivolts par division ; enregistrement inférieur : FIG. 3c.

-

10 ps/div. f = 1,l x 105 Hz;

(6)

FIG. 4a.

-

Aluminium, L = 120 cm, D = 2,s cm. En ordon- _{f 1 D 1}₌_{f i D z = C t e = V = 3,l}_x_105cm/s née, enregistrement supérieur 20 millivolts par division ; enregis-

trement inférieur : 1 volt par division. _{FIG. 5a.}

_-

_{D l}₌_{2,s cm}_;_fi₌_1,l_X_{105 Hz.}

trement inférieur 1 volt par division. FIG. Sb. - Dz = 1 cm ; f2 = 3,l x 105 Hz.

Acier

. . .

(

3 230

1

_{3 300} TABLEAU 1. 1 Laiton

. . .

1

2

120

1-

2 100 Métal* I

. . .

Aluminium

1

i l 0 0

1

3150 Vitesse (m/s) -

Tables Mesurée sur

oscillogrammes Calculée f = V / D : oscillogrammes Observée sur

(7)

C 1

-

134 M. BRUMA

On constate que la réponse du transducteur piézo- électrique commence avec un retard d'environ 950 ps par rapport au début d'irradiation Laser, ce qui permet le calcul de la vitesse de propagation par le rapport

LlAt, soit, dans le cas présent : 3 150 mètres/seconde, en bon accord avec les valeurs conventionnelles concernant la vitesse de propagation des ondes élastiques transversales dans l'aluminium (3 040 m/s d'après Handbook of Chemistry and Physics, 45e édition, p. E-28 ; et 3 100 m/s d'après Physical Acoustics,

MASON (W. P.), Vol. 1, Part B, p. 34).

On constate également que la forme du signal élec- trique produit par le transducteur présente l'aspect caractéristique de battements entre ondes élastiques ayant transité plusieurs fois le long de l'échantillon et s'amortissant suivant une enveloppe exponentielle. On remarque aussi que l'aspect des battements est caractéristique de la nature de l'échantillon comme le montre les oscillogrammes des figures 4a et 4b, comparant, toutes choses égales, un barreau d'aluminium avec un barreau d'acier.

La composante fondamentale des battements est constituée par une onde élastique sinusoïdale

-

oscillogrammes des figures 3c, 5 et 5b

-

dont la fréquence est indépendante de la longueur du barreau, fonction uniquement de son diamètre et de la vitesse de propa-

gation de l'onde élastique transversale dans l'échan- tillon considéré, suivant la relation f.

D

= V. L'amplitude maximale de tension obtenue sur

R

= IO6 ohms est d'environ 0,5 volts, correspondant à un A P maxi- mal d'environ 112 atmosphère en bon accord avec la valeur calculée à l'aide de l'équation (4).

IV. Conclusions. - Loin d'avoir épuisé tous les aspects de la question, la présente communication se limite à la mise en évidence expérimentale, par des moyens simples, d'ondes élastiques, dans la gamme ultra-sonore, produites par irradiations de surfaces mé- talliques à l'aide d'impulsions Laser. Le mécanisme de production d'ondes élastiques est basé sur la pression de radiation

-

unidirectionnelle - qui amorce une onde de pression oscillante sinusoïdale se propageant avec la vitesse du son dans le milieu considéré. L'amor- tissement de cette onde élastique permet la dissipation de l'énergie de recul transférée au milieu par la réflexion de l'impulsion Laser incidente, permettant ainsi le retour du milieu à son état énergétique initial.