Emission and absorption spectroscopies applied to laser induced plasmas analysis

Spectroscopies d'émission et d'absorption appliquées à l'analyse de plasmas produits par laser

Maxime Ribière (1)

1 CORIA - Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie

This work has been performed in the purpose of probing solid surfaces by using LIPS (laser induced plasma) technique. The behavior of the produced plasma is very difficult to simulate owing to the shortness of the involved time and space scale. Besides classical emission spectroscopy diagnostics, we have put into operation an original absorption experiment which provides more reliable and numerous informations about the plasma temperature and number densities. This study, which couples experiment and theory through the resolution of the radiative transfer equation, is based on the comparison between the experimental and the simulated profiles of the 308.21 and 396.15 nm Al(I) resonant lines. Special attention has been turned to the ion and electron Stark broadening and self-absorption effects. An important departure from equilibrium is put into evidence throughout the plasma recombination. The measurement of the aluminum fundamental state which is of prime importance in the validation of any collisional-radiative model dedicated to this complex situation has been carried out in a large pressure range (5 to 1E5 Pa). The measurement of the relaxation times highlights the major role played by the diffusion in the relaxation of the plasma species.

Ce travail a été réalisé dans le but de sonder des surfaces solides en utilisant la technique « LIPS » (Spectroscopie de plasmas induits par laser). Le comportement de ce type de plasmas est difficile à simuler étant donné la petitesse des échelles de temps et d'espace considérées. En plus du diagnostic classique de spectroscopie d'émission, nous avons mis en oeuvre une expérience originale d'absorption qui produit des valeurs fiables et de nombreuses informations sur la température et les densités constitutives du plasma. Cette étude, qui couple expérience et théorie dans le cadre de la résolution de l'équation de transfert radiatif, est basée sur la comparaison entre des spectres calculés et expérimentaux des raies à 308.21 et 396.15 nm de l'aluminium. Une attention spéciale a été portée à l'écriture de l'élargissement électronique et ionique par effet Stark et aux effets d'auto-absorption. Un écart important à l'équilibre a été mis en évidence tout au long de la relaxation du plasma. La mesure de la densité de l'état fondamental de l'aluminium, qui est de première importance pour valider un code collisionnel - radiatif consacré à cette situation complexe, a été menée à bien dans une large gamme de pression (5 à 1E5 Pa). La mesure des constantes de temps de relaxation met en évidence le rôle majeur joué par la diffusion dans la relaxation des espèces du plasma.

Keywords: LIPS; LIBS; spectroscopie d'émission; spectroscopie d'absorption; transfert radiatif; effet Stark; auto-absorption; plasma induit par laser; aluminium

Domains: Physics [physics]

Maxime Ribière. Spectroscopies d'émission et d'absorption appliquées à l'analyse de plasmas produits par laser. Physique [physics]. Université de Rouen, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00443037⟩