Étude de l'interaction laser matière en régime de confinement par eau avec deux impulsions laser. Application au test d'adhérence par choc laser PDF Download
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Author: Damien Courapied
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Languages : fr
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Book Description
Le choc laser est un procédé de plus en plus répandu qui utilise l'énergie laser pour générer des ondes de choc et inclure des effets mécaniques dans les matériaux ciblés. Lorsque l'énergie laser est absorbée par la cible, un plasma d'interaction est créé à la surface du matériau. Ce plasma, lors de sa détente, génère une onde de choc qui se propage. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s'inscrivent donc dans une démarche globale de compréhension des phénomènes liés à l'interaction laser-matière. Dans le domaine des ondes de choc générées par laser, on peut distinguer deux procédés : Le traitement de surface par choc laser (LSP - Laser Shock Peening) et le test d'adhérence par choc laser (LASAT - LASer Adhesion Technique). Aujourd'hui la question se pose sur les limitations des procédés de choc par laser et sur les solutions à mettre en place pour pallier à ces limitations. Des idées sur l'amélioration des confinements, comme substitution à l'eau, ou encore l'optimisation des revêtements protecteurs ont été proposées. Par ailleurs, au cours de ces travaux de thèse, l'utilisation de deux impulsions laser a permis, dans le cas du procédé LASAT, l'optimisation de la traction générée aux interfaces des multimatériaux et ainsi de rendre le procédé plus robuste. De plus, dans le cas du procédé LSP, les aspects de rentabilité liés à la cadence de traitement ont été étudiés. Finalement, que ce soit pour les décalages en temps faibles (entre 0 et 1000 ns) ou bien les décalages importants (entre 200μs à 200ms), l'étude des phénomènes liés à l'interaction laser-matière a permis de franchir certaines limitations pour les deux procédés.
Author: Damien Courapied
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Le choc laser est un procédé de plus en plus répandu qui utilise l'énergie laser pour générer des ondes de choc et inclure des effets mécaniques dans les matériaux ciblés. Lorsque l'énergie laser est absorbée par la cible, un plasma d'interaction est créé à la surface du matériau. Ce plasma, lors de sa détente, génère une onde de choc qui se propage. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s'inscrivent donc dans une démarche globale de compréhension des phénomènes liés à l'interaction laser-matière. Dans le domaine des ondes de choc générées par laser, on peut distinguer deux procédés : Le traitement de surface par choc laser (LSP - Laser Shock Peening) et le test d'adhérence par choc laser (LASAT - LASer Adhesion Technique). Aujourd'hui la question se pose sur les limitations des procédés de choc par laser et sur les solutions à mettre en place pour pallier à ces limitations. Des idées sur l'amélioration des confinements, comme substitution à l'eau, ou encore l'optimisation des revêtements protecteurs ont été proposées. Par ailleurs, au cours de ces travaux de thèse, l'utilisation de deux impulsions laser a permis, dans le cas du procédé LASAT, l'optimisation de la traction générée aux interfaces des multimatériaux et ainsi de rendre le procédé plus robuste. De plus, dans le cas du procédé LSP, les aspects de rentabilité liés à la cadence de traitement ont été étudiés. Finalement, que ce soit pour les décalages en temps faibles (entre 0 et 1000 ns) ou bien les décalages importants (entre 200μs à 200ms), l'étude des phénomènes liés à l'interaction laser-matière a permis de franchir certaines limitations pour les deux procédés.
Author: LAURENT.. BEATHE
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Pages : 220
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CETTE THESE A CONCERNE L'ETUDE DE L'INTERACTION LASER MATIERE DANS LE CADRE BIEN PARTICULIER DU CHOC LASER EN REGIME DE CONFINEMENT PAR EAU. L'OBJECTIF ETAIT DE COMPRENDRE L'INFLUENCE DES PHENOMENES DE CLAQUAGE DANS L'EAU ET LEURS EFFETS SUR LES PRESSIONS GENEREES PAR LE PLASMA CONFINE. CE TRAVAIL A D'ABORD CONTRIBUE AU DEVELOPPEMENT D'UN DIAGNOSTIC PAR VELOCIMETRIE DOPPLER POUR CARACTERISER LES ONDES DE CHOC INDUITES PAR LASER EN REGIME DE CONFINEMENT PAR EAU. LES RESULTATS OBTENUS ONT PERMIS DE DETERMINER L'INFLUENCE DU CLAQUAGE SUR LE PLASMA CONFINE POUR DIFFERENTS PARAMETRES (LONGUEUR D'ONDE (1.064, 0.532, 0.355 ET 0.308 M), DUREE D'IMPULSION (10, 25 ET 50 NS)) DANS UNE GAMME D'INTENSITE LASER VARIANT DE 1 A 30 GW/CM#2. DE MEME, D'AUTRES PARAMETRES PLUS LIES AU PROCEDE LUI MEME ONT ETE ETUDIES (TAILLE DE TACHE, REVETEMENT, NATURE DU MATERIAU). DANS CHAQUE CAS, LE CODE NUMERIQUE SHYLAC (DE PROPAGATION DES ONDES DE CHOC) A ETE UTILISE POUR LA VALIDATION DES MESURES DE PRESSION PAR VELOCIMETRIE DOPPLER. L'INTERACTION DANS L'EAU DE CONFINEMENT A ETE ETUDIEE PAR CAMERA RAPIDE INTENSIFIEE, SPECTROSCOPIE D'EMISSION ET FAISCEAU LASER SONDE. CES EXPERIENCES ONT MIS EN EVIDENCE QUE LE CLAQUAGE LIMITANT SURVIENT UNIQUEMENT A LA SURFACE DE L'EAU DE CONFINEMENT. LES MECANISMES PHYSIQUES INTERVENANT LORS DE L'INTERACTION ONT ETE ANALYSES ET UNE DESCRIPTION EST PROPOSEE POUR INTERPRETER LES RESULTATS EXPERIMENTAUX. CES RESULTATS SUR LE CLAQUAGE CORRELES AUX MESURES DE PRESSIONS PAR VELOCIMETRIE DOPPLER DEFINISSENT CORRECTEMENT LES LIMITES ACTUELLES DU CHOC LASER ET PERMETTENT DE DETERMINER LES CARACTERISTIQUES D'UNE SOURCE LASER ADAPTEE ET LES CONDITIONS OPERATOIRES OPTIMALES POUR LE TRAITEMENT INDUSTRIEL PAR CHOC LASER DE TOUS LES MATERIAUX METALLIQUES.
Author: Arnaud Sollier
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Languages : fr
Pages : 297
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Ce travail de thèse est consacré à l'étude des plasmas générés par interaction laser-matière en régime confiné, et plus particulièrement à leur application au traitement des matériaux par choc laser. Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans ce régime d'interaction particulier, une modélisation originale du procédé a été développée. Un code numérique traitant les processus de claquage dans l'eau de confinement permet dans un premier temps de déterminer les caractéristiques (intensité crête et durée à mi-hauteur) de l'impulsion laser transmise à travers la fenêtre de confinement. Un modèle hydrodynamique auto-consistant raitant les plasmas confinés (plasmas froids et denses, corrélés et partiellement dégénérés) utilise ensuite ces paramètres pour calculer les chargements mécaniques et thermiques induits à la surface de la cible traitée. Pour terminer, ces chargements sont utilisés en entrée du code aux éléments finis ABAQUS afin de simuler les contraintes résiduelles d'origine mécanique et thermique induites par le traitement. Les résultats de ces simulations ont été validés par comparaison avec différentes mesures expérimentales réalisées pour des conditions d'irradiation laser (longueurs d'ondes de 1064 nm et de 532 nm, durées d'impulsion de 3 ns et 10 ns) typiques des conditions opératoires réelles utilisées au niveau industriel. Ces résultats montrent que les petites taches focales permettent de limiter fortement le chauffage de la cible par le plasma confiné, et donc de s'affranchir des effets thermiques induits par le traitement. Ils ouvrent donc de nouvelles perspectives quant à la réalisation du traitement par choc laser sans utiliser de revêtement thermo-protecteur. Par ailleurs, ils permettant d'expliquer les résultats obtenus avec la configuration de traitement développée par Toshiba (très petites taches focales, haute cadence, pas de revêtement protecteur), qui demeuraient incompris jusqu'alors.
Author: Yoan Di Maio
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Le laser à impulsions ultra-courtes constitue un procédé innovant et très avantageux pour la découpe de céramiques piézoélectriques PZT. Grâce à un fort confinement spatiotemporel de l'énergie au cours de l'interaction, ce système minimise les dégâts collatéraux et préserve l'intégrité physique du matériau sur des échelles micrométriques. Néanmoins, une propagation de faisceau mal maîtrisée, associée à des mécanismes d'interaction complexes fonction de la cible irradiée, peuvent impliquer de fortes disparités sur la qualité d'usinage. Dans le cadre d'une application industrielle donnée, ces travaux nous ont donc permis d'approfondir les principales étapes d'optimisation d'un tel procédé selon des critères de reproductibilité, de qualité et de rapidité. Pour cela, nous avons tout d'abord souligné l'influence des propriétés gaussiennes des faisceaux et de leur perturbation afin de définir la distribution énergétique au niveau des plans de focalisation. Aussi, la quantification de l'interaction via les critères de seuil et de taux d'ablation, d'incubation et de saturation a contribué à comprendre la réaction du matériau de manière macroscopique. Les problèmes méthodologiques inhérents à leurs calculs ont été mis en évidence et ont permis par la suite d'anticiper les formes d'usinage ainsi que les temps de procédé. Dans un second temps, l'optimisation des paramètres laser s'est appuyée sur des caractérisations aussi bien qualitatives pour l'aspect visuel que quantitatives avec l'estimation de la stoechiométrie et des contraintes résiduelles au niveau des flancs d'usinage. Nous avons en outre tiré profit de la piézoélectricité afin de développer une méthode d'observation in situ de la réponse à l'onde de choc laser contribuant à la compréhension des fissurations apparentes. Nous proposons au terme de ce travail un jeu de paramètres optimal pour la découpe de PZT assurant une bonne répétabilité du procédé tout en minimisant les défauts d'usinage comme la fissuration, les dépôts de surface et les irrégularités de bords. Des essais sur la mise en forme spatio-temporelle de faisceau sont enfin abordés principalement en tant que perspective d'accélération du procédé et encouragent son utilisation pour une future industrialisation.
Author: Dominique Grevey
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Languages : fr
Pages : 260
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A L'AIDE D'IMPULSION LASER (1060 NM OU 530 NM) AVEC DES TEMPS INFERIEURS A LA MICROSECONDE, IL EST POSSIBLE D'ENGENDRER AU SEIN DE LA CIBLE METALLIQUE UNE ONDE DE CHOC, PRODUITE PAR LA CREATION DE PLASMA. ANALYSE DE L'EVOLUTION DE LA CREATION DE PLASMA. DEVELOPPEMENT ET VERIFICATION D'UN MODELE PERMETTANT D'APPRECIER LA VITESSE D'EJECTION DE LA MATIERE ET LA PRESSION INDUITE. ETUDE DES EFFETS INDUITS DANS LES CIBLES METALLIQUES PAR LE TRAIN D'ONDE: ECROUISSAGE SUR DIFFERENTS MATERIAUX, ECROUISSAGE ET TRANSFORMATION MARTENSITIQUE DANS UN ALLIAGE FER-NICKEL. ANALYSE DETAILLEE DES EFFETS SE PRODUISANT DANS L'ALLIAGE FER-NICKEL
Author: Guillaume Clair
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Languages : fr
Pages : 157
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Ce travail présente une étude originale de l'interaction laser-matière en régime nanoseconde à l'aide d'une double approche expériences-modélisation numérique. L'approche expérimentale vise à caractériser les plasmas produits par laser et l'empreinte laissée par le faisceau laser sur la cible. L'approche numérique s'appuie sur un modèle 1D qui permet de décrire le chauffage de la cible par le laser, l'ablation de matière et la formation d'un plasma dans cette matière ablatée dûe à l'interaction avec le laser. Des comparaisons des résultats obtenus par les deux approches permettent d'évaluer le degré de précision des résultats issus du modèle. Ces comparaisons se limitent aux 100 premières nanosecondes d'expansion du plasma. Nous montrons ainsi que le modèle décrit assez bien l'écrantage du faisceau laser par le plasma, l'expansion du plasma et la propagation de l'onde de choc dans le gaz ambiant. De plus, les valeurs des seuils d'ablation et de formation du plasma sont calculées avec une bonne précision. En revanche, des écarts sont constatés pour la modélisation des processus d'interaction entre le laser et la cible. Le degré de précision du modèle est au final suffisamment bon pour nous permettre d'étudier précisément l'effet du gaz ambiant sur les propriétés et la dynamique du plasma.
Author: Mathieu Lobet
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Cette thèse a pour objet l'étude de l'interaction laser-matière dans un régime d'éclairement extrême que visent à atteindre plusieurs installations multi-pétawatt en cours de développement (CILEX-Apollon, ELI, IZEST, etc.). Pour un éclairement supérieur à 1022 Wcm-2, la dynamique relativiste des électrons accélérés dans l'onde laser est modiée par un important rayonnement Compton inverse non-linéaire. Au-delà de 1023 Wcm2, les photons ainsi produits peuvent, en interagissant à leur tour avec le champ laser, se désintégrer en paires électron-positron via le mécanisme de Breit-Wheeler non-linéaire. Ces mécanismes d'électrodynamique quantique, dont l'étude expérimentale était jusqu'ici l'apanage des grands accélérateurs de particles, peuvent grandement affecter les mécanismes usuels d'interaction laser-plasma, notamment ceux régissant l'accélération de particules chargées et, par conséquent, le bilan global de l'interaction. Afin de modéliser ce régime inédit d'interaction, qui combine processus collectifs, relativistes et d'électrodynamique quantique, nous avons enrichi des mécanismes précédents le code de simulation particle-in-cell calder développé de longue date au CEA/DIF. L'influence de ces mécanismes est d'abord explorée dans le cas d'une impulsion laser interagissant avec une cible dense de taille micrométrique. Un rendement de conversion de l'énergie laser en photons supérieur à 10% est observée au-dessus de 1023 Wcm-2, tandis que la production d'anti-matière s'emballe, via un mécanisme de cascade, à partir de 1024 Wcm2. Dans un second temps, nous étudions la génération de positrons lors de la collision frontale entre un faisceau d'électrons ultra-relativistes issu d'un accélérateur plasma et une impulsion laser ultra-intense. Dans une dernière partie, nous considérons un scénario prospectif d'intérêt astrophysique, à savoir la collision de plasmas de paires issus de cibles solides irradiées à 1024 Wcm-2 montrant la croissance rapide d'une instabilité de lamentation magnétique combinée à d'intenses effets radiatifs.
Author: Eric Ohayon
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Languages : fr
Pages : 205
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Book Description
CE MEMOIRE CONCERNE L'ETUDE DES EFFETS THERMOMECANIQUES CREES PAR LASER A EXCIPLEXES EN GEOMETRIE CONFINEE ET SON APPLICATION AU TRAITEMENT DES MATERIAUX METALLIQUES PAR CHOC. LE PREMIER CHAPITRE CONSISTE EN UNE PRESENTATION GENERALE DES TRAITEMENTS DE PRECONTRAINTE CLASSIQUES ET DU CHOC LASER INDISSOCIABLE DE LA TECHNIQUE DU CONFINEMENT DU PLASMA. LES CONTRAINTES RESIDUELLES INDUITES SOUS L'EFFET DE L'ONDE DE CHOC SONT ABORDEES. LE SECOND CHAPITRE PRESENTE UNE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LA COMPREHENSION DU PHENOMENE DE CLAQUAGE DU DIELECTRIQUE PAR INTERACTION AVEC UN FAISCEAU LASER. L'INFLUENCE DE DIFFERENTS PARAMETRES SUR LE CLAQUAGE EST EXPOSE. DANS LE TROISIEME CHAPITRE EST PRESENTE PLUSIEURS MODELES THEORIQUES PERMETTANT UNE MODELISATION DU CHOC LASER. UN MODELE ANALYTIQUE EST DEVELOPPE PERMETTANT DE DONNER LA FORME TEMPORELLE ET LA PRESSION MAXIMALE ATTEINTE SUIVANT LA FORME DE L'IMPULSION LASER LORS D'UN TIR EN CONFIGURATION CONFINEE. DANS LES QUATRIEME ET CINQUIEME CHAPITRES LES MOYENS EXPERIMENTAUX UTILISES ET LES RESULTATS OBTENUS A L'AIDE DU LASER KIR DE LONGUEUR D'ONDE 248 NM SONT PRESENTES. NOTAMMENT, LES PRESSIONS MESUREES A L'AIDE DE JAUGES PIEZOELECTRIQUES EN FACE ARRIERE DE L'ECHANTILLON, EN INTERACTION DIRECTE ET SOUS CONFINEMENT EAU POUR DIFFERENTS MATERIAUX METALLIQUES. ENFIN, DES ANALYSES METALLURGIQUES ONT ETE REALISEES SUR DES ECHANTILLONS RECOUVERTS OU NON D'UN REVETEMENT THERMO-ABSORBANT, IRRADIES PAR LA SOURCE LASER. LES MODIFICATIONS OBTENUES SONT PRESENTEES
Author: CORINNE.. NOUVELLON
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Languages : fr
Pages : 163
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L'ABLATION LASER COUPLEE A LA SPECTROMETRIE D'EMISSION OPTIQUE EST UNE TECHNIQUE A FORT POTENTIEL POUR L'ANALYSE ELEMENTAIRE DE MATERIAUX CAR ELLE POSSEDE PEU DE CONTRAINTES DE MISE EN UVRE ET EST UTILISABLE POUR DE NOMBREUX MATERIAUX. LE PRINCIPE CONSISTE A ANALYSER L'INTENSITE EMISE LORS DE LA DESEXCITATION DES ESPECES DU PLASMA CREE PAR FOCALISATION D'UN FAISCEAU LASER SUR L'ECHANTILLON A ANALYSER. POUR QUE L'ANALYSE ELEMENTAIRE SOIT QUANTITATIVE, LE PLASMA DOIT ETRE REPRESENTATIF DU MATERIAU A ANALYSER. NOTRE OBJECTIF EST DE DETERMINER LES PARAMETRES FONDAMENTAUX DE L'INTERACTION LASER-MATIERE QUI INFLUENCENT LA CONSERVATION DE LA STCHIOMETRIE ENTRE LA CIBLE ET LE PLASMA CREE LORS DE L'ABLATION DE METAUX PAR UN LASER UV A PRESSION ATMOSPHERIQUE DANS UN DOMAINE DE FLUENCES DE 10 A 255 J/CM 2. L'ETUDE DU COUPLAGE LASER-MATERIAU, NECESSAIRE POUR ANALYSER L'INTERACTION REELLE ENTRE LE LASER ET LA CIBLE, EST REALISEE A PARTIR DE L'OBSERVATION DES CRATERES OBTENUS DANS LES ECHANTILLONS. ELLE MET EN EVIDENCE QUE LA SURFACE D'INTERACTION EST UN PARAMETRE DETERMINANT. EN EFFET, L'EFFICACITE D'ABLATION EST PLUS ELEVEE ET LES CRATERES PLUS HOMOGENES LORSQUE LA SURFACE D'INTERACTION EST PLUS PETITE, CE QUI CORRESPOND A DES CONDITIONS POUR LESQUELLES L'ECRANTAGE DU LASER PAR LE PLASMA EST REDUIT. L'ANALYSE DU PLASMA EST EFFECTUEE DANS SA PHASE DE DESEXCITATION, APRES L'IMPULSION LASER. DANS DES ALLIAGES D'ALUMINIUM CONTENANT DU CUIVRE, DU MAGNESIUM ET DU ZINC A QUELQUES % NOUS OBSERVONS QUE LA COMPOSITION DU PLASMA EST IDENTIQUE A CELLE DE LA CIBLE, POUR DIFFERENTES CONDITIONS D'IRRADIATIONS (SURFACE D'INTERACTION, FLUENCE). DANS LES LAITONS (CU-ZN), LES COMPORTEMENTS DES DEUX ELEMENTS SONT DIFFERENTS. L'ANALYSE DU ZINC PEUT ETRE REALISEE QUELLES QUE SOIENT LES CONDITIONS D'IRRADIATION ALORS QU'ELLE N'EST POSSIBLE POUR LE CUIVRE QU'A FLUENCE ELEVEE (> 50 J/CM 2). CETTE ETUDE SYSTEMATIQUE DES LAITONS MET AINSI EN EVIDENCE L'IMPORTANCE DE LA FLUENCE SUR LA COMPOSITION DU PLASMA.
Author: Jean-Philippe Bérubé
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Languages : en
Pages : 177
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