Academic literature on the topic 'Plasma (Gaz ionisés) – Propriétés optiques'

Les plasmas transitoires générés par ablation laser à haute fluence sont des phénomènes complexes impliquant une multitude de processus, comme l’absorption de la radiation optique dans la matière, l’augmentation de température et les transitions de phase dues au transfert d’énergie, l’hydrodynamique du gaz en expansion, les interactions électriques entre les particules chargées, ou l’interaction du rayonnement laser avec le plasma créé. Une compréhension la plus complète possible de ce phénomène est nécessaire tant du point de vue fondamental, que par rapport à la caractérisation de matériaux à fort potentiel technologique soumis à des flux d’énergie intenses.Afin d’accéder à une telle compréhension, nous avons développé une approche multi-diagnostics, en mettant en œuvre des techniques optiques et électriques : imagerie par caméra intensifiée rapide, spectroscopie optique d’émission résolue spatialement et temporellement, spectroscopie d’absorption par diode laser, sonde de Langmuir. Ces techniques ont été appliquées à la caractérisation des plasmas générés par ablation laser en régime nanoseconde à différentes longueurs d’onde sur des matériaux allant des plus simples (Al, Cu) aux plus complexes (céramiques, verres chalcogénures, ferromagnétiques). Les principaux résultats obtenus ont été la mise en évidence d’un processus de fractionnement du plasma en deux structures, et la caractérisation cinétique et énergétique des constituants de ces structures. Ces résultats trouvent un intérêt fondamental (développement d’un modèle hydrodynamique fractal) et appliqué (investigation du phénomène d’érosion dans les propulseurs spatiaux à plasma, dépôt de couches minces)
The transient plasmas generated by high-fluence laser ablation are complex phenomena involving multiple processes, as optical radiation absorption by the matter, temperature increase and phase transitions generated by the energy transfer, expanding gas hydrodynamics, electrical interactions between the charged particles, or the interaction of the laser radiation with the generated plasma. A most complete understanding of this phenomenon is therefore necessary from the fundamental point of view, but also for characterizing the behavior of high technological potential materials under intense irradiation. We have developed a multi-diagnostic approach, based on optical and electrical techniques: fast ICCD camera imaging, space- and time-resolved optical emission spectroscopy, diode laser absorption spectroscopy, Langmuir probe. These techniques have been used to characterize plasmas generated by nanosecond laser ablation of various samples, from simple Al and Cu metals, to more complicated ceramics, chalcogenide glasses or ferromagnetics. The main results have been the observation of the plasma splitting in two structures and the kinetic and energetic characterization of their constituents. These results present fundamental (development of a fractal hydrodynamic model) and applied (erosion of dielectric walls in space plasma thrusters, pulsed laser deposition of thin films) interest

Cette thèse s’inscrit dans le contexte des travaux visant à réduire la durée d’impulsion des lasers XUV générés dans des plasmas au domaine femtoseconde. La bande spectrale très étroite du milieu amplificateur limite la durée minimum accessible (limite de Fourier). Le milieu amplificateur des lasers XUV sont des plasmas denses et chauds qui peuvent être créés aussi bien par décharge électrique rapide que par différents types de lasers de puissance. Il existe ainsi 4 types de sources lasers XUV distinctes dont les paramètres du plasma (densité, température) dans la zone de gain diffèrent. Or, les propriétés spectrales et temporelles du rayonnement émis sont fortement liées à ces paramètres. L’ensemble des 4 types de lasers XUV opèrent en mode d'amplification de l'émission spontanée (ASE) et 2 d'entre eux peuvent opérer en mode « injecté ». Cette technique consiste à injecter une impulsion harmonique d'ordre élevé femtoseconde, résonante avec la transition laser, à l'une des extrémités du plasma amplificateur. L'important désaccord entre la largeur spectrale du plasma et celle de l'harmonique ne permet pas de conserver la durée fs de cette dernière au cours de l'amplification. Les simulations (code Bloch-Maxwell COLAX) montrent que l'amplification est fortement non-linéaire dans ces systèmes, avec notamment l'apparition d’oscillations de Rabi. La génération d'oscillations de Rabi dans des lasers XUV en mode injecté est actuellement considérée comme un moyen prometteur de produire des lasers XUV fs, mais la manifestation de ces dernières n’a toutefois encore jamais été mise en évidence expérimentalement. Ainsi, une méticuleuse caractérisation expérimentale des propriétés spectrales des 4 types de lasers XUV en relation avec les conditions du plasma, associée à une meilleure compréhension des mécanismes d’amplification sous différentes conditions plasma basée sur des études théoriques et des simulations, sont nécessaires pour atteindre notre objectif. Une large campagne expérimentale visant à caractériser spectralement l'ensemble des différents types de lasers XUV a été menée par notre groupe sur la dernière décennie. La résolution spectrale nécessaire n'étant pas accessible avec les spectromètres actuels, la méthode employée consiste à mesurer la cohérence temporelle du laser XUV par autocorrélation du champ électrique à l'aide d'un interféromètre à division de front d'onde, spécifiquement conçu pour ces mesures, à partir desquelles la largeur spectrale peut être déduite. Le dernier type de laser XUV (PALS, Prague) a été caractérisé dans le cadre de cette thèse. Le temps de cohérence mesuré est de 0,68 ps, significativement inférieur aux valeurs mesurées sur les autres types de lasers XUV. L'analyse de l'ensemble des mesures a fait apparaître un comportement différent suivant que la durée d’impulsion est longue devant le temps de cohérence ou proche de celui-ci. Dans le premier cas les largeurs spectrales déduites sont en bon accord avec les calculs, dans le second l’accord est moins bon et la forme des traces d'autocorrélation n'était pas comprise. Ces observations ont motivé une étude détaillée de l'influence des propriétés temporelles de l'émission ASE des lasers XUV sur la méthode interférométrique employée pour caractériser leur largeur spectrale. Cette étude, basée sur un modèle emprunté aux lasers à électrons libres, a révélé un effet de la cohérence temporelle partielle sur les mesures d'autocorrélation en champ de ces sources. Elle ouvre des perspectives sur l'utilisation de notre méthode pour une mesure simultanée de la largeur spectrale et de la durée d'impulsion de la source. Enfin, une étude basée sur un modèle Bloch-Maxwell a été réalisée pour tenter de mieux comprendre les conditions d'apparition des oscillations de Rabi au cours de l'amplification de l'harmonique dans le plasma de laser XUV. Deux régimes d'amplification, adiabatique et dynamique, autour d'un seuil d'inversion de population ont été mis en évidence
The work of this thesis was made in the context of the efforts made to reduce the pulse duration of plasma-based XUV lasers down to the femtosecond domain. The very narrow spectral width of the amplifier medium (~ 1E10 - 1E11 Hz) limits the minimum achievable pulse duration (Fourier limit). The amplifier medium of XUV lasers pumped by collisional excitation are dense and hot plasmas that can be created both by rapid electrical discharge and by different types of power lasers. There are thus 4 distinct types of XUV laser sources with different plasma parameters (density, temperature) in the gain region. Yet, the spectral and temporal properties of the emitted radiation are strongly linked to these parameters. All 4types of XUV lasers operate in amplification of spontaneous emission (ASE) mode, and 2 of them, for a few years, can operate in "seeded" mode. This technique consists in injecting a femtosecond high order harmonic pulse (the seed), resonant with the lasing transition, at one extremity of the plasma amplifier. Because of the major mismatch between the spectral width of the plasma and that of the seed the femtosecond duration of the latter is not preserved during amplification. Simulations (COLAX Maxwell-Bloch code) show that the amplification is highly non-linear in such systems, including the appearance of Rabi oscillations. Generating Rabi oscillations in seeded XUV lasers is currently considered a promising way to produce femtosecond XUV lasers. However Rabi oscillations have yet never been experimentally demonstrated. Thus, a meticulous experimental characterization of the spectral properties of the 4 types of XUV lasers in connection with the plasma conditions, combined with a better understanding of amplification mechanisms under different theoretical plasma conditions based on studies and simulations are needed to reach our goal. A wide experimental campaign aiming to spectrally characterize all different types of XUV lasers was conducted by our group over the past decade. The required spectral resolution is not available with the best current spectrometers, so the method we used consists on the measurement of the temporal coherence of the XUV laser through an electric field autocorrelation, using a wave front-division interferometer that was specifically designed for these measures, from which the spectral width can be deduced. The latter type of the four XUV laser types (PALS, Prague) was characterized during this thesis, closing this experimental campaign. The measured coherence time was 0.68 ps, which is significantly lower than the coherence times measured on the other XUV laser types. Analysis of the overall results revealed two different behavior whether the XUV laser has a long pulse duration compared to its coherence time or if the two durations are close. In the first case the inferred spectral widths are in good agreement with theoretical predictions, while in the second case the agreement was not as good and the shape of the electric field autocorrelation traces was not understood. This observation has prompted a detailed study of the influence of temporal properties of ASE XUV lasers on the interferometric methodology used to determine the spectral width of XUV lasers. The study, based on a model developed for X-free electron lasers, revealed an effect of partial temporal coherence in electric field autocorrelation measures of these sources. This study offers perspectives on a simultaneous measure of the spectral width and the duration of theses sources with our method. Finally, a study based on Maxwell-Bloch equations was carried out in order to understand better the conditions of apparition of Rabi oscillations. This study highlighted two amplification regimes, adiabatic and dynamic, around a population inversion threshold

Ce memoire est consacre a la croissance par m. O. V. P. E de structures grin-sch-sqw. Grin-sch signifiant gradient index separate confinement heterostructure, a savoir heterostructure a gradient d'indice et a confinement separe. Sqw signifie single quantum well (simple puits quantique). Apres quelques generalites sur les lasers et sur le fonctionnement des lasers a semi-conducteur, j'expose l'interet pour la realisation d'un laser bleu base sur les semi-conducteurs ii-vi a grand gap ou l'inversion de population est obtenue par un faisceau d'electrons incident (pompage par micropointes a emission de champs). La technologie du pompage electronique necessite la realisation d'une structure grin-sch basee sur les materiaux semi-conducteurs ii/vi binaires et ternaires znse - zncdse et znsse. L'optimisation de la forme de cette structure grin-sch est realisee par la modelisation du guidage optique. Dans ce memoire on trouvera la comparaison entre trois types de structures grin-sch : les deux premiers ont la meme forme mais sont realises a partir de differents precurseurs du cadmium. Le troisieme type de structure est optimise d'apres les calculs theoriques de confinement optique.

Nous étudions quelques propriétés d'équilibre de la version classique du plasma à une composante (PUC), en trois et deux dimensions (potentiels 1/r et - lnr respectivement). Ce modèle simple reproduit bien certaines propriétés essentielles (effets d'écran) communes aux systèmes Coulombiens à plusieurs composants en phase plasma. Par ailleurs, le PUC décrit avec une bonne approximation quelques systèmes réels, astrophysiques ou terrestres. L'intérêt conceptuel et pratique du PUC a motivé de nombreux travaux approches rigoureuses, méthodes de simulation numérique, développements de théories approchées. Notre travail s'inscrit dans ce contexte et en reprend certains aspects (méthodes de simulation exclues). Nous considérons à la fois le système homogène (phase fluide) et le système inhomogène (problèmes d'interface). Nos approches rigoureuses comprennent une preuve non-perturbative de la décroissance rapide des corrélations en régime monotone, une étude générale des fluctuations du potentiel et du champ électriques en deux dimensions, et des calculs analytiques dans des régimes asymptotiques (paroi diélectrique en couplage faible) ou dans des cas particuliers (modèle bidimensionnel pour une valeur spéciale de la température). En ce qui concerne les théories approchées, nous proposons un schéma d'approximations successives pour le calcul de la distribution du champ électrique, sur la base d'un nouveau développement systématique. Par ailleurs, nous nous intéressons aux méthodes fonctionnelles appliquées aux calculs des profils de densité dans les interfaces; en particulier nous construisons un nouveau développement fonctionnel bien adapté aux parois impénétrables. Pour ces deux types de problème (microchamp et interfaces) nous mettons en œuvre une série de tests significatifs des théories approchées, en prenant avantage des résultats exacts (analytiques et Monte-Carlo). L'axe commun de tout ce travail est une formulation à partir des premiers principes pour les problèmes abordés. Ceci permet une meilleure compréhension de certains mécanismes essentiels, ainsi qu'une interprétation claire des performances des théories approchées (avec possibilité d'inclure des corrections)
We study some equilibrium properties of the classical one component plasma (OCP), in three and two dimensions (1/r and- lnr potentials respectively). This simple model does have the essential properties (screening effects) of multicomponent Coulomb systems in the plasma phase. Furthermore the OCP describes with a good accuracy some real systems, in Astrophysics or on the Earth. Because of its basic and practical interest, there has been numerous works on the OCP: rigorous approaches, numerical simulations, approximated theories. Our work presents some of the aspects mentioned before (numerical simulations excluded). We consider both the homogeneous system (fluid phase) and the inhomogeneous system (interfaces). Our rigorous approaches contain a non-perturbative proof of the fast decay of the correlations in the monotonic regime, a general study of the potential and field fluctuations dimensions in two dimensions, an analytic computations in asymptotic regimes (dielectric wall in the weak-coupling limit)or in particular cases (two-dimensional model at a special value of the temperature). With respect to approximated theories, we propose a scheme of successive approximations for computing the micro field distribution on the basis of a new systematic expansion. Furthermore we study density functional theories applied to the computation of interface density profiles; in particular we derive a new density functional expansion well appropriate for hard walls. For both problems (microfield and interfaces), we make unambiguous tests of the approximated theories by taking advantage of the exact results (analytic and Monte Carlo). The common axis of this work is a formulation starting from the first principles for the problems considered. This allows a better under­ standing of some fundamental mechanisms as well as a clear interpretation of the successes or failures of the approximated theories (with the possibility of including corrections)

Nous avons développé un ensemble de techniques tant mathématiques que numériques qui permettent de réaliser des simulations d'un modèle simple de plasma de Yukawa à une composante (YOCP). Dans ce modèle les particules interagissent via un potentiel de paire de la forme y(r)=q2exp(-ar)/r et baignent dans un fond chargé neutralisant. Dans le cas particulier où a=0 on retrouve le modèle bien connu du plasma de Coulomb à une composante (OCP). Nous avons dérivé les expressions en sommes d'Ewald du potentiel de Yukawa, des forces, ainsi que celles des courants de Kubo, i. E. Le tenseur des pressions et le courant d'énergie. Ces expressions permettent le calcul des coefficients de transport du YOCP, à savoir la conductivité thermique et les viscosités de cisaillement et de volume à l'aide de simulations de dynamique moléculaire à l'équilibre. Les résultats numériques ainsi obtenus permettent notamment de préciser le domaine de validité de la théorie de Chapman-Enskog, que nous avons par ailleurs résolue numériquement. Nous présentons également une théorie hydrodynamique du facteur de structure dynamique S (k, w) qui reproduit de manière satisfaisante les résultats des simulations.

L'étude locale d'un plasma d'argon a superposition de puissance est realisee pour la premiere fois grace a l'adaptation des methodes de spectroscopie d'emission. Un banc de mesure a deplacement de fibre optique est mis au point; la fibre assure la discretisation du plasma et permet d'en eloigner l'appareillage de mesure. Trois raies rouges de l'argon, dont une presente un effet stark important, sont enregistrees simultanement et utilisees pour les mesures de temperatures et de densites electroniques. Nous donnons les caracteristiques physico-chimiques du plasma en fonction de l'intensite du courant de superposition et du debit d'argon. Nous montrons la forte proportion d'oxygene et d'azote dans le milieu plasma se developpant a l'air libre.

Cette etude vise a une meilleure comprehension des decharges microonde (creees par ondes de surface) et radiofrequence, utilisees pour les depots a basse temperature de couches minces dielectriques. Elle permet de valider le concept de reacteur a double plasma pour les depots d'oxydes et de nitrures de silicium. Elle comporte deux aspects differents faisant appel a la physico-chimie des plasmas et a la science des materiaux. Une premiere partie est consacree a l'etude des plasmas (microonde et/ou radiofrequence) d'ar, d'o#2, d'ar-o#2 et d'ar-he-o#2 a deux positions differentes de la decharge. L'interferometrie microonde et la spectroscopie d'emission optique (techniques d'autoabsorption et d'actinometrie) sont utilisees pour determiner respectivement la densite electronique, la densite des metastables d'argon et la densite d'oxygenes atomiques. Une deuxieme partie est consacree d'une part a l'etude des conditions de depot, d'autre part a l'analyse des proprietes optiques, chimiques et structurelles des films deposes. Nous avons etudie l'influence de differents parametres comme la temperature de depot, la puissance microonde, les differents debits de gaz ou les differentes dilutions, ainsi que les effets de couplage des deux plasmas. Les couches minces deposees ont ete analysees par ellipsometrie uv-visible in situ, transmission infrarouge, mesures nucleaires (erda, rbs), edx et absorption dans l'uv lointain. Nous avons mis en evidence le role du bombardement ionique et le fait qu'il est possible de reduire la quantite d'hydrogene (sous forme de groupement o-h) contenu dans les films en les exposant a une illumination uv

Un gaz ionisé (ou plasma) présente la propriété d'absorber ou de réfléchir les ondes électromagnétiques radar, si son taux d'ionisation est suffisant. Cette propriété suscite un intérêt particulier pour des applications dans le domaine de l'aéronautique. L'objectif de cette thèse est de pouvoir prédire les caractéristiques (électriques et énergétique) d'un plasma d'air faiblement ionisé dans un écoulement à pression atmosphérique. La description du plasma repose sur un modèle à deux températures, inspiré des modèles hors- équilibre thermique. L'écoulement du plasma est alors décrit par un système d'équations de l'hydrodynamique à deux températures couplé à un modèle collisionnel (description des échanges énergétiques) et à la cinétique chimique (réactions chimiques). Nous avons mis en œuvre un algorithme pour simuler le plasma en écoulement axisymétrique. Il s'agit d'un schéma numérique bidimensionnel de type Lagrange + Projection dont la phase de projection est un schéma d'ordre 2, adapté au transport multi- espèces. Cet algorithme nous permet de simuler des expérimentations sur l'écoulement d'un plasma atmosphérique pour valider les paramètres du modèle. Dans une deuxième partie, nous étudions la méthode des couches absorbantes parfaitement adaptées (PML) qui constitue une condition de bord pour la simulation en milieu ouvert. Son efficacité étant reconnue pour les problèmes de propagation d'onde électromagnétique, nous nous penchons sur un moyen d'adapter cette méthode de l'aéroacoustique (équations d'Euler linéarisées). Pour cela nous présentons deux approches : une méthode simple visant à éviter les oscillations numériques, et une approche plus générale où nous définissons une nouvelle formulation de couches absorbantes qui mène à des problèmes bien posés
A ionized gas (or plasma) has the ability of absorbing or reflecting electromagnetic (radar) waves if its ionization rate is high enough. This is particularly interesting for aeronautics. This study aims at predicting the electric and energetic characteristics of a weakly ionized air plasma in an atmospheric pressure flow. The plasma is described by a two-temperature model, coming from the non-equilibrium description of plasmas. Plasma flow is then described by a two-temperature hydrodynamic system coupled with a collisional model (energy exchanges rates) and a kinetic model (chemical reactions). An algorithm was built to simulate plasma flow in axisymetric geometry. The algorithm is a 2D Lagrange + Projection scheme. The projection step was adapted to multi-components advection, using a second order, non oscillating, and bidimensionnal scheme. This algorithm allows the simulation of experiments concerning atmospheric pressure plasma and then the validation of the model parameters. In a second part, we study the Perfectly Matched Layer (PML) which is a boundary condition to simulate wave propagation in open domains. This method is particularly efficient for electromagnetic problems, and we want to enlarge this approach to aeroacoutics problems (linearized Euler equations). We propose two solutions: a practical approach to avoid numerical oscillations of the solution and a more general approach which consists in a new absorbing layer formulation which leads to well-posed problems

L'entrée d'un véhicule spatial dans une atmosphère planétaire induit la formation d'une onde de choc hypersonique puis d'un plasma à haute température et à basse pression. Le plasma entourant ce véhicule rayonne fortement sur une large gamme spectrale, et le dimensionnement des protections thermiques du véhicule demande de quantifier ce rayonnement de façon précise. L'étude présentée analyse le rayonnement émis par un plasma d'entrée atmosphérique sur Mars. Un code de calcul raie-par-raie a été développé pour simuler le rayonnement d'un plasma de type Martien, et les propriétés radiatives à l'équilibre de ce plasma ont été simulées. Des mesures du rayonnement d'un plasma Martien ont ensuite été réalisées dans des moyens d'essai complémentaires. Les principaux systèmes moléculaires émissifs ont été identifiés, et un modèle théorique d'excitation de ces systèmes est proposé. L'étude est complétée par une analyse numérique et expérimentale de l'écoulement d'un plasma supersonique de type Martien dans le moyen d'essai arc-jet SR5.