Théorie et simulation de l'interaction des impulsions laser ultracourtes à flux modéré avec un solide métallique PDF Download
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Author: Jean-Philippe Colombier
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Languages : fr
Pages : 215
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Book Description
Les systèmes laser ultracourts concentrent une énergie de quelques microjoules dans une impulsion d'une centaine de femtosecondes, de telle sorte que les intensités atteignent 1012 à 1015 W/cm2. Lors de l'irradiation d'un métal, la matière est éjectée du milieu d'origine avec une très grande précision, ce qui confère au système des qualités indéniables pour des applications industrielles. Dans ce travail, nous avons adopté une démarche théorique en proposant une modélisation et une simulation des effets engendrés par ce type d'impulsion. La mise en mouvement ultrarapide des électrons libres insuffle une dynamique puissante de destruction du métal. Des modèles optiques, thermiques et hydrodynamiques adaptés, réalisant la transition entre l'état dégénéré de la matière condensée vers un régime plasma chaud non-dégénéré, sont ici développés. Nous les avons insérés dans un code Lagrangien de simulation hydrodynamique. Nous montrons que des états thermodynamiques extrêmes, hors d'équilibre, peuvent être engendrés et nous avons comparé les taux d'ablation obtenus aux résultats d'expérience. Une conductivité électrique hors d'équilibre a également été développée afin de rendre compte des effets produits par la dynamique électronique sur les propriétés d'absorption optique. Plusieurs types d'expériences numériques, impliquant notamment des dispositifs pompe-sonde, sont ensuite exposés afin d'améliorer notre compréhension des processus de transport (électron-électron et électron-phonon) dans ce régime. Nous avons enfin appliqué cette modélisation aux effets produits par une impulsion mise en forme temporellement afin d'optimiser les expériences d'ablation.
Author: Jean-Philippe Colombier
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Languages : fr
Pages : 215
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Book Description
Les systèmes laser ultracourts concentrent une énergie de quelques microjoules dans une impulsion d'une centaine de femtosecondes, de telle sorte que les intensités atteignent 1012 à 1015 W/cm2. Lors de l'irradiation d'un métal, la matière est éjectée du milieu d'origine avec une très grande précision, ce qui confère au système des qualités indéniables pour des applications industrielles. Dans ce travail, nous avons adopté une démarche théorique en proposant une modélisation et une simulation des effets engendrés par ce type d'impulsion. La mise en mouvement ultrarapide des électrons libres insuffle une dynamique puissante de destruction du métal. Des modèles optiques, thermiques et hydrodynamiques adaptés, réalisant la transition entre l'état dégénéré de la matière condensée vers un régime plasma chaud non-dégénéré, sont ici développés. Nous les avons insérés dans un code Lagrangien de simulation hydrodynamique. Nous montrons que des états thermodynamiques extrêmes, hors d'équilibre, peuvent être engendrés et nous avons comparé les taux d'ablation obtenus aux résultats d'expérience. Une conductivité électrique hors d'équilibre a également été développée afin de rendre compte des effets produits par la dynamique électronique sur les propriétés d'absorption optique. Plusieurs types d'expériences numériques, impliquant notamment des dispositifs pompe-sonde, sont ensuite exposés afin d'améliorer notre compréhension des processus de transport (électron-électron et électron-phonon) dans ce régime. Nous avons enfin appliqué cette modélisation aux effets produits par une impulsion mise en forme temporellement afin d'optimiser les expériences d'ablation.
Author: Robert Pederson
Publisher: Elsevier
ISBN: 0323913822
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 580
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Book Description
Additive Manufacturing of High-Performance Metallic Materials outlines the state-of-the-art on AM in high performance materials utilizing the two most industrially interesting routes of powder bed fusion (PBF) and directed energy deposition (DED). The book delves into Feedstock, Processing, Monitoring and control, Modeling and simulation, and Surface and thermal post-treatments. It specifically addresses materials and the most relevant and high performance applications, namely Ni-based alloys and Titanium alloys, and also provides insights into potential applications through illustrative case studies. With each chapter contributed by experts in the field, this work will serve as a comprehensive resource for graduate students and practitioners alike. - Covers the entire value chain relevant to additive manufacturing spanning feedstock, processing, monitoring, post-treatment, testing and applications - Includes the fundamental understanding of varied associated aspects derived from both extensive experimental knowledge and theoretical investigations - Addresses key materials relevant to varied high performance applications, namely Superalloys and Ni-based alloys
Author: Vincent Pouget
Publisher:
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Languages : fr
Pages : 239
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Book Description
Ce travail présente l'élaboration d'un banc expérimental de test des circuits intégrés par faisceau laser impulsionnel ayant pour objectif la simulation des effets des radiations ionisantes sur les composants microélectroniques. Le contexte de l'étude est présenté par une revue de la littérature, et l'interaction ion-silicium est analysée. Un modèle rigoureux de l'interaction impulsion laser-silicium est développé. Les possibilités d'équivalence entre les deux interactions sont explorées et les limitations évoquées. Un modèle électrique de la réponse transitoire d'un transistor MOS à une irradiation est proposé. Un système expérimental de test des circuits intégrés par impulsions laser ultra-courtes est conçu, développé et caractérisé. Son automatisation complète est décrite. Le système est validé par différents types de tests effectués sur dès circuits numériques et analogiques. Le potentiel d'un nouveau type de cartographie des circuits intégrés est évalué.
Author: ANDREI.. SOLODOV
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Languages : fr
Pages : 134
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DIFFERENTS ASPECTS DE L'INTERACTION D'UNE IMPULSION ULTRA-COURTE ET ULTRA-INTENSE AVEC UN PLASMA SOUS-DENSE ONT ETE ETUDIES ANALYTIQUEMENT ET NUMERIQUEMENT. CES ETUDES PRESENTENT UN INTERET POUR L'ACCELERATION LASER DE PARTICULES DANS LES PLASMAS, LES LASERS A RAYONS X, LA GENERATION D'HARMONIQUES D'ORDRE ELEVE, LE CONCEPT D'ALLUMEUR RAPIDE POUR LA FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL. ON A UTILISE LE CODE PARTICULAIRE RELATIVISTE WAKE DEVELOPPE PRECEDEMMENT A L'ECOLE POLYTECHNIQUE. CE CODE A ETE MODIFIE AU COURS DE LA THESE POUR TRAITER LE MOUVEMENT DES IONS, POUR CALCULER DES TRAJECTOIRES D'ELECTRONS TESTS, ET POUR INCLURE DES DIAGNOSTICS DIVERS SUR LES CHAMPS ET LES PARTICULES. LES SUJETS TRAITES DANS CETTE THESE SONT LES SUIVANTS : L'ACCELERATION DE PHOTONS DANS LE SILLAGE D'UNE IMPULSION LASER COURTE ET INTENSE, LA VITESSE DE PHASE DE L'ONDE PLASMA DANS LE SILLAGE D'UNE IMPULSION LASER AUTO-MODULEE, LA CANALISATION RELATIVISTE D'IMPULSION LASER DE DUREE DE L'ORDRE DE LA PERIODE PLASMA, LA DYNAMIQUE IONIQUE DANS LE SILLAGE, LE DEFERLEMENT. ENFIN ON A SIMULE 3 EXPERIENCES DE PROPAGATION D'ONDE LASER ET D'ACCELERATION D'ELECTRONS. VOICI LES PRINCIPAUX RESULTATS DE LA THESE : LA REDUCTION DE LA VITESSE DE PHASE DE L'ONDE PLASMA DANS LE CAS D'UNE IMPULSION LASER AUTO-MODULEE NE JOUE QUE DANS LE CAS D'UN CANAL PREFORME POUR LE GUIDAGE DE L'ONDE LASER. ON A TROUVE DES STRUCTURES SELF-SIMILAIRES POUR DECRIRE LE GUIDAGE RELATIVISTE D'UNE IMPULSION COURTE DANS UN PLASMA. ON A DEMONTRE LA PROPAGATION AUTO-GUIDEE D'IMPULSION INITIALEMENT GAUSSIENNES DE QUELQUES PERIODES PLASMA. ON A MONTRE QUE LA FORCE PONDEROMOTRICE DE L'ONDE PLASMA EXCITEE PAR L'IMPULSION LASER FORME UN CANAL ET LE DEFERLEMENT DANS CE CANAL A ETE ANALYSE EN DETAIL. LES EFFICACITES DE L'ACCELERATION D'ELECTRONS DANS LE CHAMP LASER ET DANS L'ONDE PLASMA ONT ETE COMPAREES. LE DECALAGE EN FREQUENCE D'UNE SONDE SE PROPAGEANT DANS LE SILLAGE PLASMA A ETE ETUDIE DANS DES CONDITIONS CORRESPONDANT A DES EXPERIENCES ACTUELLES.
Author: MARIE-LINE.. BEGUE
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Languages : fr
Pages : 314
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DANS LES REACTIONS DE FUSION THERMONUCLEAIRE, IL EST NECESSAIRE D'AMENER LA MATIERE (UN GAZ DE DEUTERIUM ET DE TRITIUM) A DES CENTAINES DE MILLIONS DE DEGRES. ON FORME AINSI UN PLASMA ENTIEREMENT CONSTITUE DE PARTICULES IONISEES QUE L'ON DOIT ENSUITE CONFINER. POUR CE FAIRE DEUX VOIES SONT ETUDIEES : LA FUSION PAR CONFINEMENT MAGNETIQUE (TOKAMAKS) ET LA FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL, A LAQUELLE NOUS NOUS INTERESSONS ICI, OU L'ON A RECOURS A DE PUISSANTS FAISCEAUX LASERS POUR COMPRIMER UNIFORMEMENT UNE PETITE BILLE REMPLIE D'UN MELANGE DEUTERIUM-TRITIUM. UN DES PROBLEMES-CLEFS POUR LA REALISATION DU CONFINEMENT INERTIEL EST L'INTERACTION ENTRE LES FAISCEAUX LASERS ET LE PLASMA CREE PAR IRRADIATION. CETTE INTERACTION EST LA SOURCE DE MULTIPLES INSTABILITES DIFFERENTES SELON L'INTENSITE DU LASER ET LA DENSITE DU PLASMA. A L'HEURE ACTUELLE, LES GRANDS LABORATOIRES S'EQUIPENT DE LASERS ULTRA-INTENSES (10#2#0 W/CM#2) A IMPULSIONS ULTRACOURTES (10##1#2 S). DE TELS LASERS, ONT DONNE NAISSANCE AU CONCEPT DE L'ALLUMEUR RAPIDE. ILS VONT DANS CE CAS, ETRE LA SOURCE DE NOUVEAUX EFFETS D'ORIGINE RELATIVISTES, QUI VU LEUR COMPLEXITE NECESSITENT POUR LEUR COMPREHENSION L'UTILISATION DE LA SIMULATION NUMERIQUE. NOUS ALLONS DONC, DANS CETTE THESE PRESENTER LE FONCTIONNEMENT DE CODES DITS SEMI-LAGRANGIEN RESOLVANT EN PARALLELE L'EQUATION DE VLASOV RELATIVISTE ET LES EQUATIONS DE MAXWELL. CES CODES VONT NOUS PERMETTRE D'ETUDIER L'EVOLUTION DE LA FONCTION DE DISTRIBUTION ELECTRONIQUE DANS L'ESPACE DES PHASES. PREMIEREMENT, NOUS DETAILLONS LE FONCTIONNEMENT DE CES CODES MONO OU BIDIMENSIONNELS. PUIS, NOUS LES TESTONS EN LES UTILISANT DANS LE CAS PARTICULIER DE PLASMAS SOUS-DENSES POUR LESQUELS NOUS ETUDIONS L'ACCELERATION DE PARTICULES PAR BATTEMENTS D'ONDES. NOUS PRESENTONS ENSUITE LES PREMIERS RESULTATS OBTENUS POUR L'ETUDE DES INSTABILITES ELECTRONIQUES D'ORIGINES RELATIVISTES.
Author: Fabien Huot
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Languages : fr
Pages : 213
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Book Description
Les récentes avancées technologiques permettent désormais de concevoir des lasers à haut flux (1020 Wcm-2æm-2). A de telles énergies, un électron oscillant dans le champ électromagnétique peut atteindre une vitesse proche de celle de la lumière, nécessitant la prise en compte d'importants effets relativistes. Différents types de codes peuvent être développés pour simuler de tels mécanismes. Les codes particulaires ou codes PIC, sont basés sur la résolution des équations du mouvement des particules du système. Cependant, ils sont sujets à des problèmes de bruit numérique et peuvent offrir une mauvaise résolution sur les régions à faible densité de particules. C'est pourquoi nous avons développé des codes dits semi-lagrangiens qui visent à la résolution couplée de l'équation de Vlasov relativiste et des équations de Maxwell. Nous avons caractérisé les domaines de prévalence respectifs de chacun de ces deux types de codes en fonction de l'effort numérique nécessaire pour traiter un problème donné. Nous détaillons par ailleurs le schéma d'advection de l'équation de Vlasov et utilisons la possibilité offerte par les codes semi-lagrangiens de réduire le nombre des variables indépendantes, grâce à l'introduction d'une classe de solutions exactes de l'équation de Vlasov. Sachant qu'une impulsion ultra-intense peut se propager au sein d'un plasma au-delà de la densité critique du fait des effets relativistes qu'elle engendre, nous avons effectué une étude détaillée de ces phénomènes. Ceci nous a permis de mettre en évidence l'existence d'ondes acoustiques d'électrons piégés relativistes dans le cadre de la transparence auto-induite. Nous avons enfin raffiné ce modèle pour tenir compte de la mobilité des ions et l'avons étendu à deux dimensions afin d'étudier les effets transverses dans l'interaction laser-plasma.
Author: VALERIE. FABRETTI
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Languages : fr
Pages : 150
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Book Description
CE TRAVAIL S'INSCRIT DANS LE CADRE DES ETUDES SUR LA CARACTERISATION DE L'INTERACTION ENTRE UN LASER SUBPICOSECONDE ET LA MATIERE SOLIDE. NOUS NOUS SOMMES PARTICULIEREMENT INTERESSES A LA SIMULATION DES SPECTRES DU RAYONNEMENT X K ALPHA EMIS DANS LES PLASMAS CREES PAR IMPULSION LASER ULTRA-COURTE ET ULTRA INTENSE (10#1#8 W CM#-#2). A CETTE FIN, LE MODELE DEVELOPPE DANS CE TRAVAIL UTILISE LES RESULTATS D'UN CODE HYDRODYNAMIQUE QUI SIMULE L'INTERACTION LASER-MATIERE. CES RESULTATS SE PRESENTENT SOUS LA FORME DE PROFILS LAGRANGIENS DE DENSITE ET DE TEMPERATURE, DECRIVANT L'EVOLUTION SPATIO-TEMPORELLE DU PLASMA. LE MODELE REALISE UN COUPLAGE AUTO-CONSISTANT ENTRE UN MODELE COLLISIONNEL-RADIATIF INSTATIONNAIRE, QUI TRAITE L'ETAT ATOMIQUE DU PLASMA, ET UNE METHODE MONTE-CARLO, QUI SIMULE LE TRANSPORT DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES, CREES A LA DENSITE CRITIQUE ET RESPONSABLES (PAR DES COLLISIONS EN COUCHE INTERNE) DE L'EMISSION K ALPHA, A L'INTERIEUR DU PLASMA. A PARTIR DE CE MODELE, ON A PU GENERER DES SPECTRES SYNTHETIQUES DE RAIES K ALPHA EN FONCTION DE DIFFERENTS PARAMETRES EVALUES EXPERIMENTALEMENT. PAR AILLEURS, ON A PU VOIR, A PARTIR DES RESULTATS OBTENUS, UNE FORTE CORRELATION ENTRE L'EFFET DU FLUX DE CHALEUR THERMIQUE ELECTRONIQUE ET L'EFFET DE LA TEMPERATURE DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES SUR LES SPECTRES SYNTHETIQUES. OUTRE LA SIMULATION DE SPECTRES DE RAIES K ALPHA, UNE APPLICATION DIRECTE DE CE CODE A ETE L'EVALUATION DU FACTEUR DE FLUX LIMITE POUR UN ECLAIREMENT DONNE ET UNE VALEUR DE LA TEMPERATURE DES ELECTRONS SUPRA-THERMIQUES DETERMINEE PAR AILLEURS. CE CODE A D'AUTRES APPLICATIONS POTENTIELLES COMME LA SIMULATION DE SOURCES X ULTRA-BREVES.
Author: Yoan Di Maio
Publisher:
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
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: Alexandre Douin
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Languages : fr
Pages : 176
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Book Description
Ce travail présente le développement de techniques de test et d’analyse optiques dynamiques des circuits intégrés par faisceau laser impulsionnel. Le contexte de l’étude est présenté par une revue de la littérature des techniques de test et d’analyse optiques utilisées dans le domaine de la microélectronique. Une étude sur l’influence de la durée d’impulsion laser sur la signature photoélectrique a été menée par simulation physique. L’utilisation d’impulsions laser ultracourtes a été ainsi mise en exergue. Deux techniques expérimentales (PULS et TRLS) de test et d’analyse des circuits intégrés par impulsions laser ultracourtes ont été développées et caractérisées. Un large panel de circuits de synchronisation a été étudié pour améliorer la résolution temporelle de la technique TRLS. Les deux techniques PULS et TRLS ont été validées par différentes analyses effectuées sur des circuits numériques.
Author: Mihaela Cirisan
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Languages : fr
Pages : 268
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Book Description
L’ablation laser dans l’air à la pression atmosphérique est souvent appliquée dans l’industrie, l’analyse chimique, la chirurgie, ... Pour un développement plus approfondi des technologies laser basées sur l’effet d’ablation, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l’origine de l’interaction laser-matière. Lors d’un impact du faisceau laser sur la surface d’un matériau, une plume plasma se forme au dessus de la cible. Ce plasma contient des électrons, des atomes et des ions du matériau évaporé, ainsi que du gaz ambiant, s’il est présent. Lors de l’impulsion laser, cette plume absorbe une grande partie d’énergie du faisceau laser, réduisant ainsi la quantité du rayonnement laser qui arrive à la surface de la cible. Les dimensions, ainsi que les paramètres de cette plume plasma évoluent très rapidement avec le temps. L’étude de la dynamique et des paramètres de cette plume est très importante, parce qu’ils influent sur tous les processus physiques ayant lieu à la surface du matériau traité. Nous avons étudié l’expansion de la plume plasma formée lors de l’ablation des échantillons métalliques (Al, Ti, Fe) par faisceau laser Nd :YAG nanoseconde (durée d’impulsion : 5.1 ns, longueur d’onde : 1064 nm, irradiance de l’ordre de grandeur de GW/cm2) dans l’air à la pression atmosphérique en utilisant la technique d’imagerie rapide. Cette technique nous a permis d’observer l’évolution spatio-temporelle de la plume au début de son expansion. Les résultats obtenus indiquent que la plume d’ablation laser a une structure : deux régions ont été distinguées – le cœur et la périphérie de la plume. La dynamique de ces deux régions de la plume a été étudiée et les vitesses de leur expansion ont été déterminées. En plus, nous avons examiné l’influence de l’irradiance laser, ainsi que l’influence de la composition de la cible sur la dynamique de la plume. D’autre part, nous avons développé des modèles numériques sous COMSOL Multiphysics pour simuler le processus d’ablation laser. Un modèle thermique a été utilisé pour simuler l’interaction laser – cible. Les résultats de ce modèle ont été employés comme conditions à la limite du modèle hydrodynamique, utilisé pour simuler l’expansion de la plume du plasma dans l’air ambiant. Deux approches ont été proposées : approche microscopique et macroscopique. Les résultats de simulation basée sur l’approche macroscopique donnent l’évolution temporelle et distribution spatiale (1D) des paramètres de la plume : masse volumique, vitesse, pression.
