Characterization of plasma produced by laser - metal target interaction. Role of the plasma in the energy transfer of the laser beam towards the metal.
Caractérisation du plasma créé lors de l'interaction laser – cible métallique. Rôle du plasma dans le transfert d'énergie entre le faisceau laser et le métal.
Résumé
Optimization and control laser material processing requires the understanding of the mechanisms of generation and expansion of the plasma generated by laser-target interaction in presence of an ambient gas. The plasma, produced by pulsed TEA-CO2 laser irradiation of a titanium target, was characterized and the time-evolution was followed by emission spectroscopy. The expansion of the metal vapor after the plasma phase was probed by laser-induced fluorescence. The measurements were performed by varying systematically the parameters that influence the interaction process: the temporal shape of the laser pulse, its energy, the pressure and the nature of the ambient gas (He, Ar, N2). The experimental results were compared to the intensity thresholds of material vaporization and plasma generation computed via a heat diffusion model and a calculation based the electron energy balance, respectively. The analysis of the irradiated surfaces via scanning electron microscopy combined with the plasma observations allowed us to characterize the plasma-surface interaction and to conclude about the role of the plasma in the energy transfer between the laser beam and the target surface. In nitrogen atmosphere, the interaction leads to the superficial synthesis of titanium nitride.
La maitrise et le contrôle des procédés de traitement des matériaux par laser nécessitent la compréhension des mécanismes d'initiation et de développement du plasma forme lors de l'interaction laser-cible en présence d'un gaz ambiant. Le plasma, obtenu dans le cas de l'irradiation d'une cible de titane par un laser TEA-CO2 pulse, a été caractérisé et son évolution spatio-temporelle suivie par spectroscopie d'émission. L'expansion de la vapeur métallique après la phase plasma a été détectée par fluorescence induite par laser. Les mesures ont été faites en variant systématiquement les paramètres intervenants dans le processus d'interaction, c'est-à-dire : la forme temporelle de l'impulsion laser, son énergie, la pression du gaz ambiant et la nature du gaz (He, Ar, N2). Les résultats expérimentaux ont été comparés avec les seuils d'intensité de vaporisation et d'initiation du plasma déterminés respectivement à l'aide d'un modèle thermique et d'un calcul basé sur la balance d'énergie des électrons. L'analyse des surfaces irradiées par microscopie électronique ainsi que la comparaison avec les observations du plasma ont permis de caractériser l'interaction plasma-surface et de définir le rôle du plasma dans le couplage d'énergie entre le faisceau laser et la surface. En atmosphère d'azote, l'interaction conduit à la synthèse superficielle du nitrure de titane.
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