Ablation au laser

Source: https://web.math.utk.edu/~vasili/va/descr/laser/

Développer des modèles hydrodynamiques homogènes et thermodynamiquement cohérents de chauffage/fusion/vaporisation de cibles, et de formation et d'évolution de plasma, dans l'ablation laser (LA) de métaux par des lasers nanosecondes.

Ablation au laser : plusieurs processus physiques complexes et étroitement couplés se produisent dans et juste au-dessus de la cible. La cible chauffe, fond et se vaporise. Dans la couche de Knudsen, juste au-dessus de la cible, les particules évaporées s'équilibrent rapidement par collisions, s'ionisent et forment un plasma. Le plasma absorbe l'énergie laser, protégeant la cible et atteint des températures, des vitesses, des densités d'espèces et des pressions très élevées. Au fur et à mesure que le panache se refroidit, une nucléation et une recondensation homogènes produisent des particules nanométriques. Les pressions de recul sur la masse fondue peuvent provoquer un mouvement de masse fondue et une expulsion de la masse fondue formant des particules plus grosses.
Des défis supplémentaires dans la modélisation de l'ablation au laser découlent de: (a) des échelles d'espace et de temps extrêmes; (b) gradients extrêmes : la température peut atteindre des milliers de degrés localement ; (c) variation extrême des propriétés thermophysiques; (d) le besoin de données thermophysiques étendues : densité T-dépendante, capacité calorifique, conductivité thermique ; diagramme de phase pour solide, liquide, vapeur sur la plage de 300 K à la température critique (8000 K pour Cu); (e) le besoin de données optiques dépendant de T et dépendant de la longueur d'onde.

Approche:Notre formulation est basée sur des équations d'état de la forme H = H(T, P, phase) cohérentes avec la thermochimie du matériau. Il permet une dépendance totale à la température (et/ou à la pression) des propriétés thermophysiques et optiques, et peut utiliser les données EOS disponibles, jusqu'à la température critique. Ainsi, il peut décrire de manière réaliste toutes les phases de matériaux réels.
Aucune hypothèse a priori n'est faite concernant la formation de phase, ainsi les simulations peuvent révéler des phénomènes non attendus a priori (par exemple, évolution bimodale de la température et de la pression pouvant induire une recondensation).
Les lois de conservation sont discrétisées par des volumes finis, et le pas de temps peut être explicite ou implicite. Pour les équations d'Euler dans le panache, des schémas numériques à haute résolution sont utilisés pour capter les (très) forts chocs.

Applications: se produisent dans divers domaines, de l'archéologie, de la chimie et de la médecine aux sciences de l'environnement et, en particulier, à la science des matériaux.
Les applications de traitement des matériaux comprennent : le dépôt par laser pulsé, la fabrication de nanoparticules, le micro-usinage et la microanalyse chimique.

Papiers:

  1. Alexiades, Autrique, Modèle d'enthalpie pour le chauffage, la fusion et la vaporisation en ablation laser , EJDE conf.19 : 1-14, 2010.
  2. Autrique, Chen, Alexiades, Bogaerts, Rethfeld, A multiphase model for pulsed ns-laser ablation of copper in an ambient gas , Amer.Institute of Physics, Conf.Proc.1464, pp.648-659, 2012.
  3. Autrique, Alexiades, Khanal, Modélisation hydrodynamique de l'ablation par laser ns , EJDE Conf.20 : 1--14, 2013.
  4. Khanal, Autrique, Alexiades, Le pas de temps pour l'ablation laser , EJDE Conf.20 : 93-101, 2013.
  5. Autrique, Clair, l'Hermite, Chen, Alexiades, Bogaerts, Rethfeld, Le rôle des mécanismes d'élimination de masse dans l'apparition de la formation de plasma induite par le laser ns , J. of Applied Physics 114 (2) 023301, juillet 2013.
  6. Autrique, Gornushkin, Alexiades, Chen, Bogaerts, Rethfeld, Revisiting the interplay between ablation, collisional and radiative process during ns-laser ablation Applied Physics Letters 103, 174102 , 2013.
  7. Autrique, Alexiades,
    Comment on Laser ablation of Cu and panache expansion into 1 atm ambient gas [J. Appl. Phys. 97, 063305]J. of Applied Physics 115 (16):166101, 2014.
  8. Khanal, Autrique, Alexiades, Modèles de calcul pour les calculs neuronaux, parallèles et scientifiques d'ablation au laser nanoseconde 22 : 399-410, 2014.