Thèse CIFRE dans le cadre d`une collaboration Bertin Technologies

Thèse CIFRE dans le cadre d’une collaboration Bertin Technologies –
Laboratoire LP3
(Aix-en-Provence / Marseille)
Titre : Analyse de matériaux par laser
1. Cadre général et objectif
L'ablation laser, combinée à l'analyse spectroscopique du plasma créé dans la matière ablatée, est une
technique prometteuse pour l’analyse élémentaire des matériaux. Cette technique, appelée communément
LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy), est actuellement en plein essor, grâce aux progrès
technologiques des lasers, des spectromètres et des détecteurs, dont les performances ne cessent de croître.
L’analyse LIBS est la seule technique d’analyse de la matière sans contact, ouvrant ainsi de nouvelles
perspectives d’applications.
Dans le cadre du projet labellisé IDEALIBS, un premier appareil d’analyse LIBS a été développé en
collaboration avec la société Bertin Technologies. Les objectifs de cette thèse sont d’améliorer les
performances de l’appareil, d’élargir son champ d’applications, et de développer les procédés d’analyse
spectroscopique des plasmas. Les connaissances acquises nous permettront d’évaluer plus précisément les
limites de la technique et de mieux cerner ses applications potentielles.
2. Contexte historique et international du sujet
L'idée de l’analyse élémentaire des matériaux par spectroscopie du plasma d’ablation laser est née
quand les premiers lasers suffisamment puissants ont été disponibles. En 1963, Debras-Guédon et Liodec [1]
ont publié les premiers résultats sur l'analyse spectrochimique des surfaces obtenus à l'aide d'un laser à rubis.
Quatre ans plus tard, les premiers appareils ont été commercialisés par les sociétés Zeiss en Allemagne et
Jarrell-Ash aux Etats-Unis. Le fonctionnement de ces appareils a été basé sur l'ablation de la matière par le
laser.
Dans les années 80, les lasers Nd:YAG déclenchés et les lasers à excimères deviennent suffisamment
fiables et de nombreuses applications des lasers impulsionnels tels que la lithographie laser, le dépôt de
couches minces et la LIBS commencent à se développer. L'intérêt pour la LIBS s'intensifie dans les années
90 et la première conférence sur le thème a eu lieu en 2000 à Pise en Italie.
Depuis, l'activité de recherche et de développement de la technique a évolué d'une façon accélérée,
motivée par de nombreuses applications telle que la surveillance de l'environnement, le contrôle de qualité
dans la production des aciers, le tri pour le recyclage des matériaux, et bien d'autres. Le nombre de
publications et de brevets déposés ne cesse d’augmenter.
3. Contexte local et programme scientifique et technique de la thèse
Au Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques LP3 (Marseille), l'ablation laser en régime
impulsionnel et la formation des plasmas d'ablation laser a fait l'objet de recherches depuis environ 15 ans.
Les études concernent diverses applications : le traitement superficiel des matériaux, le nettoyage et la
décontamination des surfaces, le dépôt de couches minces et plus récemment le micro-usinage et la
nanostructuration des matériaux. Dans ces procédés, le plasma joue un rôle déterminant et des techniques
d'imagerie rapide, de spectroscopie optique et de spectrométrie de masse ont été développées afin d'étudier
les mécanismes de formation et d'expansion des panaches d'ablation. Il existe aujourd’hui au laboratoire une
large expérience dans les domaines de l'interaction laser-matière et des plasmas laser et leur modélisation qui
nous a motivé à étendre nos activités à l'analyse élémentaire des matériaux pour répondre à un besoin
croissant en terme de recherche et de développement dans le domaine.
En 2005, les recherches directement liées à l’analyse LIBS ont démarré avec une première thèse de
doctorat sur le sujet. Depuis l’activité a été renforcé dans le cadre du projet IDEALIBS et d’un contrat
européen EFDA-JET pour la mise en œuvre de mesures LIBS au sein du réacteur de fusion thermonucléaire
JET.
Cette thèse se situe dans le contexte d’une collaboration entre le laboratoire LP3 et Bertin
Technologies. La première partie de la thèse portera sur des études expérimentales permettant la
caractérisation spatio-temporelle du plasma et l’optimisation de la détection des éléments. La deuxième
partie portera sur l’amélioration d’un code de simulation développé au laboratoire, permettant d’analyser les
spectres d’émission sans calibration préliminaire.
Références:
[1] J. Debras-Guédon, N. Liodec, De l'utilisation du faisceau d'un amplificateur à ondes lumineuses par émission
induites de rayonnement (laser à rubis), comme source énergétique pour l'excitation des spectres d'émission des
éléments, C.R. Acad. Sci. 257, 3336 (1963)
Orientation : expérimentale (80%) et théorique (20%)
Domaines abordés : interaction laser/matière, physique des matériaux, physique des plasmas, spectroscopie
optique
Contacts :
M. Jörg Hermann : E-mail. [email protected], Tél. 04 91 82 92 90
M. Stéphane Sénac E-mail. [email protected], Tél. 04 42 60 45 70
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