En 10 picosecondes, le laser transforme l’aluminium en plasma : une première mondiale

Lorsque l’énergie laser est déposée dans une cible, de nombreux processus complexes se déroulent trop rapidement pour être observés visuellement. Pour étudier et adapter ces processus, les chercheurs ont souvent recours à la modélisation informatique. Toutefois, ces simulations reposent sur des modèles d’équation d’état (EOS) précis pour décrire les propriétés thermodynamiques d’un matériau cible dans des conditions aussi extrêmes.

L’un des processus insuffisamment pris en compte dans les modèles EOS actuels est l’ablation par laser, que ce soit par vaporisation ou par formation d’un plasma. Ce mécanisme provoque un choc dans le matériau, ce qui aboutit finalement aux densités élevées requises pour les expériences à haute pression telles que la fusion par confinement inertiel.

Afin de mieux comprendre les interactions entre le laser et la matière en ce qui concerne l’ablation, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), de l’Université de Californie à San Diego et du SLAC National Accelerator Laboratory ont mené une étude qui constitue le premier exemple d’utilisation de la diffraction des rayons X pour effectuer des mesures directes et résolues dans le temps de la profondeur d’ablation d’un échantillon d’aluminium.

Le contrôle de la profondeur d’ablation des matériaux est crucial pour divers processus scientifiques et industriels, notamment la fusion laser et la recherche astrophysique, entre autres domaines. Cependant, la mesure de la profondeur d’ablation dans le régime picoseconde est un problème de longue date dans les expériences de choc induit par laser. En effet, les approches précédentes reposaient généralement sur l’analyse post-irradiation du matériau cible, ce qui rendait difficile, voire impossible, le suivi de l’évolution de la réponse du matériau.

L’étude, dirigée par Sophie Parsons, une étudiante diplômée de l’UCSD participant au programme de coopération universitaire du LLNL, a utilisé les données de diffraction des rayons X recueillies précédemment par les scientifiques du LLNL Mike Armstrong, Harry Radousky et Jon Belof au cours d’expériences laser en 2016. Le groupe a analysé ces données pour extraire de nouvelles informations sur les phases solides de l’aluminium.

L’équipe a comparé l’épaisseur non choquée de l’aluminium à la quantité d’aluminium ablaté au fil du temps pour obtenir des mesures in situ lorsque les ondes de choc se propagent à travers le métal cible. Leur méthode in situ leur a permis de mesurer et d’isoler directement les effets qui se produisent lors de l’interaction initiale entre le laser et la surface.

Dans les 10 premières picosecondes de l’interaction du laser avec la surface de l’aluminium, les chercheurs ont observé une diminution rapide du volume de matière solide. « Cela est probablement dû à la formation rapide d’une couche de plasma d’environ 500 nm d’épaisseur sur la surface éclairée par le laser, ce que nous appelons la profondeur d’ablation », a indiqué Armstrong, co-auteur de l’article.

« Cette recherche fait partie d’une série d’études en cours dans le cadre de l’alliance universitaire de recherche sur la science des matériaux dans les environnements extrêmes (MSEE). Les travaux futurs pourraient inclure la création d’une base de données complète sur les profondeurs d’ablation », a conclu Radousky, chercheur principal de la MSEE au LLNL.

Les chercheurs ont utilisé des données de diffraction des rayons X obtenues précédemment pour déterminer la profondeur d’ablation in situ d’un échantillon d’aluminium. Image : Radousky et al., arrière-plan et graphique laser : Adobe stock, conception : Carol Le/LLNL.

Article : « Study of ablation and shock generation across three orders of magnitude of laser intensity with 100 ps laser pulses  » – DOI: 10.1063/5.0222979