Étude critique de la densité électronique et des températures (excitation et ionisation) d'un plasma d'aluminium induit par laser

La caractérisation de matériaux par spectroscopie optique d’émission d’un plasma induit par laser (LIPS) suscite un intérêt qui ne va que s’amplifiant, et dont les applications se multiplient. L’objectif de ce mémoire est de vérifier l’influence du choix des raies spectrales sur certaines mesures du plasma, soit la densité électronique et la température d’excitation des atomes neutres et ionisés une fois, ainsi que la température d’ionisation. Nos mesures sont intégrées spatialement et résolues temporellement, ce qui est typique des conditions opératoires du LIPS, et nous avons utilisé pour nos travaux des cibles binaires d’aluminium contenant des éléments à l’état de trace (Al-Fe et Al-Mg). Premièrement, nous avons mesuré la densité électronique à l’aide de l’élargissement Stark de raies de plusieurs espèces (Al II, Fe II, Mg II, Fe I, Mg I, Halpha). Nous avons observé que les densités absolues avaient un comportement temporel différent en fonction de l’espèce. Les raies ioniques donnent des densités électroniques systématiquement plus élevées (jusqu’à 50 % à 200 ns après l’allumage du plasma), et décroissent plus rapidement que les densités issues des raies neutres. Par ailleurs, les densités obtenues par les éléments traces Fe et Mg sont moindres que les densités obtenues par l’observation de la raie communément utilisée Al II à 281,618 nm. Nous avons parallèlement étudié la densité électronique déterminée à l’aide de la raie de l’hydrogène Halpha, et la densité électronique ainsi obtenue a un comportement temporel similaire à celle obtenue par la raie Al II à 281,618 nm. Les deux espèces partagent probablement la même distribution spatiale à l’intérieur du plasma. Finalement, nous avons mesuré la température d’excitation du fer (neutre et ionisé, à l’état de trace dans nos cibles), ainsi que la température d’ionisation, à l’aide de diagrammes de Boltzmann et de Saha-Boltzmann, respectivement. À l’instar de travaux antérieurs (Barthélémy et al., 2005), il nous est apparu que les différentes températures convergeaient vers une température unique (considérant nos incertitudes) après 2-3 microsecondes. Les différentes températures mesurées de 0 à 2 microsecondes ne se recoupent pas, ce qui pourrait s’expliquer soit par un écart à l’équilibre thermodynamique local, soit en considérant un plasma inhomogène où la distribution des éléments dans la plume n’est pas similaire d’un élément à l’autre, les espèces énergétiques se retrouvant au cœur du plasma, plus chaud, alors que les espèces de moindre énergie se retrouvant principalement en périphérie.

Generation of hemispherical fast electron waves in the presence of preplasma in ultraintense laser-matter interaction

Hemispherical electron plasma waves generated from ultraintense laser interacting with a solid target having a subcritical preplasma is studied using particle-in-cell simulation. As the laser pulse propagates inside the preplasma, it becomes self-focused due to the response of the plasma electrons to the ponderomotive force. The electrons are mainly heated via betatron resonance absorption and their thermal energy can become higher than the ponderomotive energy. The hot electrons easily penetrate through the thin solid target and appear behind it as periodic hemispherical shell-like layers separated by the laser wavelength.

Etude de la structuration laser femtoseconde multi-échelle de verres d’oxydes dopés à l’argent

La structuration laser femtoseconde de verres d’oxydes est aujourd’hui un domaine de recherche en pleine expansion. L’interaction laser-matière est de plus en plus utilisée pour sa facilité de mise en œuvre et les nombreuses applications qui découlent de la fabrication des composants photoniques, déjà utilisés dans l’industrie des hautes technologies. En effet, un faisceau d’impulsions ultracourtes focalisé dans un matériau transparent atteint une intensité suffisante pour modifier la matière en trois dimensions sur des échelles micro et nanométriques. Cependant, l’interaction laser-matière à ces régimes d’intensité n’est pas encore complètement maîtrisée, et les matériaux employés ne sont pas entièrement adaptés aux nouvelles applications photoniques. Par ce travail de thèse, nous nous efforçons donc d’apporter des réponses à ces interrogations. Le mémoire est articulé autour de deux grands volets. Le premier aborde la question de l’interaction de surface de verres avec de telles impulsions lumineuses qui mènent à l’auto-organisation périodique de la matière structurée. L’influence du dopage en ions photosensibles et des paramètres d’irradiation est étudiée afin d’appuyer et de conforter le modèle d’incubation pour la formation de nanoréseaux de surface. À travers une approche innovante, nous avons réussi à apporter un contrôle de ces structures nanométriques périodiques pour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée en volume induite en grande partie par l’interaction laser-matière. Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en sel d’argent, ont été étudiées pour comprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d’argent. Ce travail démontre le lien entre la physicochimie de la matrice vitreuse et le caractère hors équilibre thermodynamique de l’interaction qui influence les conditions de nucléation et de croissance de ces nano-objets. Tous ces résultats sont confrontés à des modélisations de la réponse optique du plasmon de surface des nanoparticules métalliques. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvelles approches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l’interaction laser femtoseconde pour l’inscription directe de briques photoniques dans des matrices vitreuses.

Ion charge number and flux saturation effects in the corona of a laser-irradiated pellet

The quasisteady structure of the corona of a laser-irradiated pellet is completely determined for arbitrary Z, (ion charge number} and re/ra (ratio of critical and ablation radii), and for heat-flux saturation factor/above approximately 0.04. The ion-to-electron temperature ratio at rc grows sensibly with Z,; all other quantities depend weakly and nonmonotonically on Z,. For rc /ra close to unity, and all Z, of interest (Z, < 47}, the flow is subsonic at rc. For a given laser power W, flux saturation may decrease (low/) or increase (high/) the ablation pressure Pa relative to the value obtained when saturation is not considered; in some cases a decrease in/with W fixed increases Pa. For intermediate^ ~0.1), Pa cc (W/r* )2/3 p\n\pc = critical density), independently of rc/ra; for/~0.6, Pa «s larger by a factor of about [rc/raf13. For rjra > 1.2 roughly, the mass ablation rate is C{Z,) [{m/kZ.f^Kr^Pl) l,\ independent of pc and/, and barely dependent on Z,(m, is ion mass; k, Boltzmann's constant; K, conductivity coefficient; and C, a tabulated function).

Le site CjEd-8 : l'Archaïque supérieur au Témiscouata

Occupé depuis près de 10 000 ans, le Témiscouata est un lieu clé pour mieux comprendre la préhistoire du Québec, en raison de son emplacement stratégique entre l’Atlantique et la vallée du Saint-Laurent et de la cinquantaine de sites archéologiques connus dans la région. Le site CjEd-8 est le seul site associé à l’Archaïque supérieur (6 000 à 4 000 ans avant aujourd’hui) connu dans la région. Cette recherche palethnographique porte sur l’analyse de la collection lithique du site archéologique CjEd-8. Nos questions de recherche sont les suivantes : quel était le mode de vie et les activités des occupants du site CjEd-8? Quel était leur environnement et comment s’y sont-ils adapté? Comment l’espace était-il utilisé sur le site? Comment ce site se compare-t-il aux autres sites de l’Archaïque supérieur au Québec et dans le nord-est américain? Est-il possible de relier l’occupation du site CjEd-8 à un plus vaste cadre régional ou culturel, comme un réseau d’interaction, par exemple? Nous avons effectué une analyse techno-morphologique individuelle de tous les outils et du débitage de la collection. Nous avons pu constater que tous les stades de réduction lithique (initial, intermédiaire et final) sont présents sur le site CjEd-8. Les matières premières locales sont représentées dans tous ces stades de réduction, bien que les matières premières exotiques soient surtout présentes au sein du stade initial de réduction, davantage que les matières premières locales. Ceci laisse croire que le dégrossissement initial des blocs et galets de matière première locale se faisait ailleurs que sur le site, fort probablement sur les carrières de chert de la région, et que des matières exotiques ont aussi été travaillées sur le site. Des activités de taille ont eu lieu sur les deux zones du site, probablement autour de deux foyers distincts. Les quelques individus présents y sont demeurés très brièvement, semblent avoir effectué un nombre limité d’activités et sont peut-être repassés quelques temps après. L’Archaïque supérieur est caractérisé par une augmentation de la population et par l’intensification des interactions et de l’appartenance régionale. Or, il semblerait que ce soit l’inverse que l’on observe archéologiquement au Témiscouata. L’assemblage de CjEd-8 ne présente aucune ressemblance particulière avec les sites associés à l’Archaïque supérieur au Québec, bien que pour presque tous ces sites, on constate une exploitation importante des matières premières locales (même si ces dernières sont de qualité moyenne), combinée à l’exploitation de matières premières exotiques de sources très éloignées. L’industrie du quartz, importante dans la plupart des sites de l’Archaïque supérieur, se reflète très peu sur CjEd-8. Bien qu’il nous soit impossible d’associer l’occupation du site CjEd-8 à une tradition culturelle précise, cela ne signifie pas que ses occupants n’étaient pas en interaction avec l’une ou l’autre des entités culturelles de la fin de l’Archaïque, que ce soit avec les groupes de la région de Quoddy, de la Gaspésie, de la Vallée du Saint-Laurent, de l’Outaouais, de la Haute Côte nord, du Vermont, de l’État de New York et de l’intérieur du Maine. La question des modes de subsistance des occupants de CjEd-8 n’a pas été soulevée lors de nos analyses. Nous savons toutefois que les occupants du Témiscouata avaient alors accès à une faune riche et diversifiée.

Investigations on nanosecond laser produced plasma in air from the multi-component material YBa2Cu3O7

The laser produced plasma from the multi-component target YBa2CU3O7 was analyzed using Michelson interferometry and time resolved emission spectroscopy. The interaction of 10 ns pulses of 1.06 mum radiation from a Q-switched Nd:YAG laser at laser power densities ranging from 0.55 GW cm-2 to 1.5 GW cm-2 has been studied. Time resolved spectral measurements of the plasma evolution show distinct features at different points in its temporal history. For a time duration of less than 55 ns after the laser pulse (for a typical laser power density of 0.8 GW cm-2, the emission spectrum is dominated by black-body radiation. During cooling after 55 ns the spectral emission consists mainly of neutral and ionic species. Line averaged electron densities were deduced from interferometric line intensity measurements at various laser power densities. Plasma electron densities are of the order of 1017 cm-3 and the plasma temperature at the core region is about 1 eV. The measurement of plasma emission line intensities of various ions inside the plasma gave evidence of multiphoton ionization of the elements constituting the target at low laser power densities. At higher laser power densities the ionization mechanism is collision dominated. For elements such as nitrogen present outside the target, ionization is due to collisions only.

Augmenting a Laser Pointer with a Diffraction Grating for Monoscopic 6DOF Detection

This article illustrates the detection of 6 degrees of freedom (DOF) for Virtual Environment interactions using a modified simple laser pointer device and a camera. The laser pointer is combined with a diffraction rating to project a unique laser grid onto the projection planes used in projection-based immersive VR setups. The distortion of the projected grid is used to calculate the translational and rotational degrees of freedom required for human-computer interaction purposes.

Dependence of laser accelerated protons on laser energy following the interaction of defocused, intense laser pulses with ultra-thin targets

The scaling of the flux and maximum energy of laser-driven sheath-accelerated protons has been investigated as a function of laser pulse energy in the range of 15-380 mJ at intensities of 10(16)-10(18) W/cm(2). The pulse duration and target thickness were fixed at 40 fs and 25 nm, respectively, while the laser focal spot size and drive energy were varied. Our results indicate that while the maximum proton energy is dependent on the laser energy and laser spot diameter, the proton flux is primarily related to the laser pulse energy under the conditions studied here. Our measurements show that increasing the laser energy by an order of magnitude results in a more than 500-fold increase in the observed proton flux. Whereas, an order of magnitude increase in the laser intensity generated by decreasing the laser focal spot size, at constant laser energy, gives rise to less than a tenfold increase in observed proton flux.

Interaction of flux tubes with sound waves

The Landau damping of sound waves in a plasma consisting of ensemble of magnetic flux tubes is discussed. It is shown that sound waves cannot be Landau damped in general but under certain restricted conditions on plasma parameters the possibility of absorption of these waves can exist. The possibility of radiative damping of the acoustic waves along the magnetic filaments is also discussed. It appears that the most plausible mechanism of damping of sound waves in a plasma consisting of magnetic filaments can be due to scattering of a sound wave by the filaments.

Investigation on the Interaction of Laser Beam and Metal Powders Conveyed by Coaxial Powder Feeder

In order to investigate the transient thermal stress field in wall-shape metal part during laser direct forming, a FEM model basing on ANSYS is established, and its algorithm is also dealt with. Calculation results show that while the wall-shape metal part is being deposited, in X direction, the thermal stress in the top layer of the wall-shape metal part is tensile stress and in the inner of the wall-shape metal part is compressive stress. The reason causing above-mentioned thermal stress status in the wall-shape metal part is illustrated, and the influence of the time and the processing parameters on the thermal stress field in wall-shape metal part is also studied. The calculation results are consistent with experimental results in tendency.

Ion cascade acceleration from the interaction of a relativistic femtosecond laser pulse with a narrow thin target

Particle-in-cell simulations are performed to study the acceleration of ions due to the interaction of a relativistic femtosecond laser pulse with a narrow thin target. The numerical results show that ions can be accelerated in a cascade by two electrostatic fields if the width of the target is smaller than the laser beam waist. The first field is formed in front of the target by the central part of the laser beam, which pushes the electron layer inward. The major part of the abaxial laser energy propagates along the edges to the rear side of the target and pulls out some hot electrons from the edges of the target, which form another electrostatic field at the rear side of the target. The ions from the front surface are accelerated stepwise by these two electrostatic fields to high energies at the rear side of the target. The simulations show that the largest ion energy gain for a narrow target is about four times higher than in the case of a wide target. (c) 2006 American Institute of Physics.

A plasma channel scheme for the interaction of an intense femtosecond laser pulse with a deuterium cluster jet

We propose a plasma channel scheme to obtain an improved table-top laser driven fusion neutron yield as a result of explosions of large deuterium clusters irradiated by an intense laser pulse. A cylindrical plasma channel is created by two moderate intensity laser prepulses at the edge of a deuterium cluster jet along which an intense main laser pulse propagates several nanoseconds later. With the aid of this plasma channel, the main laser pulse will be allowed to deposit its energy into the central region of the deuterium gas jet where the cluster sizes are larger and the atomic density is higher. The plasma channel formation and its impact on the deuterium ion energy spectrum and the consequent fusion neutron yield have been investigated. The calculated results show that a remarkable increase of the table-top laser driven fusion neutron yield would be expected.

Direct acceleration of solid-density plasma bunch by ultraintense laser

The interaction of a petawatt laser with a small solid-density plasma bunch is studied by particle-in-cell simulation. It is shown that when irradiated by a laser of intensity >10(21) W/cm(2), a dense plasma bunch of micrometer size can be efficiently accelerated. The kinetic energy of the ions in the high-density region of the plasma bunch can exceed ten MeV at a density in the 10(23)-cm(-3) level. Having a flux density orders of magnitude higher than that of the traditional charged-particle pulses, the laser-accelerated plasma bunch can have a wide range of applications. In particular, such a dense energetic plasma bunch impinging on the compressed fuel in inertial fusion can significantly enhance the nuclear-reaction cross section and is thus a promising alternative for fast ignition.

Short-pulse laser absorption via J x B heating in ultrahigh intensity laser plasma interaction

An analytical fluid model for JxB heating during the normal incidence by a short ultraintense linearly polarized laser on a solid-density plasma is proposed. The steepening of an originally smooth electron density profile as the electrons are pushed inward by the laser is included self-consistently. It is shown that the JxB heating includes two distinct coupling processes depending on the initial laser and plasma conditions: for a moderate intensity (a <= 1), the ponderomotive force of the laser light can drive a large plasma wave at the point n(e)=4 gamma(0)n(c) resonantly. When this plasma wave is damped, the energy is transferred to the plasma. At higher intensity, the electron density is steepened to a high level by the time-independent ponderomotive force, n(e)> 4 gamma(0)n(c), so that no 2 omega resonance will occur, but the longitudinal component of the oscillating ponderomotive field can lead to an absorption mechanism similar to "vacuum heating." (c) 2006 American Institute of Physics.