Study of the femtosecond laser ablation plume, control and optimization of processes
Etude du panache d'ablation laser femtoseconde, contrôle et optimisation des procédés
Résumé
This work aims to improve the understanding and the control of femtosecond laser ablation mechanisms through the study of optical emission from ablation plume induced with temporally shaped laser pulses. The chapter 1 is a summary of the bibliography on ablation in the femtosecond regime from the absorption of optical energy by the electronic system to the thermalization of electrons and ions and the induced thermodynamic evolution of the irradiated material. The consequences on the ablation products and plasma formation are discussed. The whole experimental device involved in this study is presented in the chapter 2 with the description of the temporal tailoring of laser pulses by modulating the spectral phase trough a spatial light modulator. The chapters 3 and 4 present the results of the study of ablation plumes respectively induced from targets of aluminum and brass. Particular attention is paid to the influence of the temporal shaping of laser pulses and several optimizations of the interaction based on an evolutionary algorithm are described. In the case of aluminum, the experimental data are confronted with results of numerical simulations to provide interpretations of the ablation in femtosecond regime and of its response to the temporal shaping of laser pulses. These studies evidence the possibility of changing the energy coupling between laser pulses and the irradiated target, of influencing the proportions of ejected material in liquid form and in atomized form, of controlling the excitation of the ablation plume and the generation of micro and nanoparticles. The chapter 5 concludes this work with an analysis of the periodic structure induced on the metal targets surface in femtosecond irradiation regime and with temporally shaped laser pulses. This chapter completes the study of the ejected matter behavior with an exploration of the structures induced on the non ablated material.
Ce travail vise à accroître la compréhension et la maîtrise des processus d'ablation laser en régime femtoseconde en s'appuyant sur l'étude, en particulier spectroscopique, de l'émission optique du panache de matière ablatée par des impulsions dont on contrôle la fluence laser et la forme temporelle. Le chapitre 1 consiste en une synthèse de la bibliographie sur l'ablation en régime femtoseconde en partant de l'absorption de l'énergie optique par le système électronique, jusqu'à la thermalisation des électrons et des ions et à l'évolution thermodynamique consécutive subie par le matériau irradié. Les conséquences induites sur les produits de l'ablation et sur la formation du plasma sont abordées. L'ensemble du dispositif expérimental mis en jeu dans cette étude est présenté au chapitre 2 avec en particulier la description de la mise en forme temporelle des impulsions laser par la modulation spectrale de leur phase à partir d'un modulateur spatial de lumière. Les chapitres 3 et 4 présentent les résultats de l'étude des panaches d'ablation respectivement induits à partir de cibles d'aluminium et de laiton. Une attention particulière est portée à l'influence de la mise en forme temporelle des impulsions et plusieurs optimisations de l'interaction sont décrites. Dans le cas de l'aluminium, les données expérimentales sont confrontées aux résultats de simulations numériques afin de proposer des schémas d'interprétation du phénomène d'ablation en régime femtoseconde et de sa réponse à la mise en forme temporelle des impulsions laser. Ces études ont permis de montrer la possibilité de modifier le couplage énergétique entre les impulsions laser et la cible irradiée, d'influencer les proportions de matière éjectée sous forme liquide et sous forme atomisée, de contrôler l'état d'excitation du panache d'ablation et enfin de maîtriser la génération de micro et nanoparticules. Le chapitre 5 clôture ce travail par une analyse de la structuration périodique induite à la surface de cibles métalliques en régime femtoseconde puis en fonction de la forme temporelle employée pour le dépôt énergétique. Ce dernier chapitre permet de compléter l'étude des comportements de la matière éjectée par une exploration des structures adoptées par la matière non-ablatée.
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