Etude d'un plasma généré lors d'un traitement de surface métallique par ablation laser dans l'air : caractérisations du rayonnement et des nanoparticules induits

Study of a plasma generated in metal surface treatment by laser ablation in air : characterisations of induced radiation and nanoparticules

• Auteur / Autrice : Marie Girault
• Direction : Jean-Marie Jouvard, Luc Lavisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/06/2015
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Maria del Carmen Marco de Lucas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François-Xavier Ouf, Jean-Baptiste Sirven
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : James Brian Alexander Mitchell, Jin Yu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Nanoparticules

Traitements de surface

Plasmas produits par laser

Mots clés libres

Laser

Traitement de surface

Plasma

Nanoparticules

Spectrométrie

Imagerie spectrale

Granulométrie

S.AX.S

Laser

Surface treatment

Plasma

Nanoparticles

Spectrometry

Spectral imagery

Granulometry

S.AX.S

Résumé

L’interaction d’un faisceau laser de courte durée d’impulsion sur des matériaux tels que l’aluminium, le fer ou le titane est caractérisée par la présence d’une plume très énergétique et fortement ionisée (plasma). L'objectif de cette étude est de comprendre les mécanismes mis en jeu dans le plasma, créé lors de l'interaction laser-cible, qui conduisent à la formation de nanoparticules.Nous souhaitons étudier de façon générale la dynamique d’expansion dans l’air de la plume formée par un laser Nd :YAG déclenché de courte durée d’impulsion pour préciser les conditions de formation de ces particules et leurs caractéristiques morphologiques et structurales. Ainsi, ce travail se décompose en deux parties. Dans une première partie, nous présentons la caractérisation expérimentale de l’expansion de la plume dans l’air. Le rayonnement induit par le plasma permet d’extraire ses caractéristiques. Deux méthodes complémentaires ont été utilisées : la spectrométrie qui permet de faire une analyse physique du plasma et l’imagerie spectrale qui permet une analyse morphologique. La seconde partie est consacrée à la caractérisation des particules formées dans les mêmes conditions opératoires. Dans le but d’analyser les particules le plus proche de leur milieu de formation, une analyse « en vol » de la distribution en taille des particules est mise en œuvre par granulométrie EEPS. Cette expérience est préparatoire à une analyse par diffusion des rayons X aux petits angles (S.A.X.S.) sous atmosphère contrôlée, qui permet d’étudier l’influence de l’oxygène sur la taille et la morphologie des particules formées.

The interaction of a laser beam of short pulse duration with metallic materials such as aluminum, iron or titanium is characterized by the presence of a high energy and strongly ionized plume (plasma). The aim of this study is to understand the mechanisms involved in plasma, created when laser-target interaction, which lead to the formation of nanoparticles. We would generally consider the dynamic expansion in the air of the plasma plume formed with a nanosecond Nd:YAG laser to specify the conditions of formation of these particles and their morphological and structural characteristics. Thus, this work is divided onto two parts. In the first part, we present the experimental characterization of the expansion of the plume in the air. The radiation induced by plasma allows to extracting the plasma characteristics. Two complementary methods were used: atomic spectrometry which allows to doing a physical analysis of plasma and spectral fast imagery to obtain a morphological analysis. The second part is devoted to the characterization of particles formed in the same operating conditions. In order to analyzing the particles as close to their formation environment, an analysis “in flight” of particle size distribution is implemented by EEPS granulometry. This experiment is preparatory at an analysis by in-situ Small-Angle X-ray Scattering (S.A.X.S.) under a controlled atmosphere, which allows to studying the influence of oxygen on the size and the morphology of the particles.