Etude et développement d'un système LIBS portable hautes performances de nouvelle génération et d'une source de marquage UV à faible durée d'impulsion

par Clément Roux

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Olivier Musset et de Jean-François Buoncristiani.

Soutenue le 04-11-2016

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Finot.

Le jury était composé de Philippe Adam, Marc Eichhorn.

Les rapporteurs étaient François Balembois, Bruno Bousquet.

mots clés

• Laser à solide
• Déclenchement électro-optique
• Génération de second harmonique
• Pompage longitudinal
• LIBS
• Marquage par laser
• Lasers à solide
• Spectroscopie sur plasma induit par laser
• Génération de second harmonique

Résumé

Le travail de thèse décrit plusieurs sources lasers originales spécifiquement développées pour deux applications particulières que sont la spectroscopie LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) et le marquage de câbles par laser. Les travaux sur la LIBS ont eu pour principaux objectifs de proposer de nouvelles solutions pour rapprocher les performances de la LIBS portable de celles de la LIBS de laboratoire et d’évaluer leur potentiel sur des applications géologiques. De nouvelles solutions de spectromètres (technologie SWIFTS) et de lasers compacts ont ainsi été évaluées et ont conduit par exemple à la réalisation d’un nouveau pistolet d’analyse LIBS portable. Les deux sources laser disposent de performances spécifiques : une première source compacte de très bonne qualité de faisceau émettant à 532 nm permettant d'obtenir une forte résolution spatiale adaptée à de la cartographie chimique de surface et une deuxième source infrarouge d'encombrement minimum et de qualité de faisceau plus faible mais d'une grande robustesse. La source laser développée pour le marquage par balayage est donc un laser Nd:YVO4 impulsionnel, quelques watts moyens, émettant dans l’ultraviolet à 355 nm. L’architecture originale utilisée, le « Cavity-Dumped », permet d’obtenir une durée d’impulsion constante (2 ns) quelle que soit la fréquence de répétition et donc une puissance crête élevée même à cadence importante. La très bonne qualité de faisceau observée a aussi permis d’obtenir un spot laser de très faible diamètre compatible avec un marquage précis et bien contrasté.

mots clés

• Solid state laser
• Electro-optical Q-Switch
• SHG
• End-pumping
• LIBS
• Laser marking

Titre traduit

Study and developpement of a new generation portable LIBS system and of a short pulse UV laser for marking

Résumé

This work describes three original laser sources developed specifically for Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and wire marking. The main goal of the work on the LIBS was to propose new solutions to make portable LIBS as efficient as laboratory LIBS and to evaluate their potential in geological applications. New spectrometers (based on SWIFTS technology) and compact lasers were evaluated and they led to the realization of a portable LIBS gun. The two types of analyze possible which are in situ analysis and chemical cartography of the sample surface led to design two specific lasers: a first compact source emitting at 532 nm with a high beam quality allowing a high spatial resolution and a second one with a lower beam quality but much more robust. The laser developed for marking is a Q-switched Nd:YVO4 emitting in the UV at 355 nm. The original architecture used, the “Cavity-Dumped”, make the pulse duration constant (2 ns) with any repetition rate so that the peak power is high even if the repetition rate is important. The very good beam quality observed makes the laser spot very small so that the marking is very precise and contrasted.