CONTEXTE:

Lorsqu’un laser intense (plusieurs dizaines de joules, pour des durées d’impulsion de l’ordre de la dizaine de nanosecondes) est focalisé sur la surface d’un métal, la matière solide irradiée est ionisée et se transforme en plasma. La détente rapide de ce plasma génère une pression de plusieurs gigapascals sur cette surface et produit une onde de choc qui se propage dans le matériau. La capacité à maîtriser précisément le dépôt d’énergie laser, et donc l’amplitude et la forme temporelle du choc, est essentielle aussi bien pour des applications industrielles (désassemblage de matériaux composites, traitements mécaniques par choc laser [1]) que pour des objectifs académiques (caractérisation dynamique des propriétés thermo-mécaniques, équations d’état sous choc [2]).

Dans les configurations de choc laser confiné, un matériau diélectrique transparent (par exemple de l’eau ou du verre) est placé sur la face avant du métal irradié. Au début de l’interaction, ce diélectrique étant transparent au laser, il confine la détente du plasma formé sur le métal ce qui augmente fortement la pression de choc générée dans la cible. Cependant, au-delà d’un seuil d’intensité ou de durée d’impulsion, le diélectrique peut claquer : il passe brutalement d’un état isolant transparent à un état conducteur et absorbant, limitant l’énergie laser transmise à la surface métallique [3, 4]. Ce phénomène modifie l’efficacité du dépôt d’énergie, réduisant la pression générée et pouvant également compromettre la reproductibilité du chargement. Par ailleurs, les effets d’inhomogénéité 2D liés à la distribution spatiale de l’intensité au sein de la tache focale (fluctuations de type speckles) sont encore insuffisamment documentés. Or, la présence éventuelle de points chauds issus de ces modulations spatiales peut jouer un rôle déterminant dans l’initiation du claquage. La capacité à prédire de manière fiable ce phénomène de claquage optique reste donc ainsi aujourd’hui limitée.

Ce problème de la transition solide diélectrique / plasma intervient également en fusion par confinement inertiel en attaque directe, où la transition solide-plasma dans les ablateurs diélectriques conditionne l’initialisation et l’efficacité du processus de fusion nucléaire [5, 6, 7], ainsi qu’en chirurgie oculaire femtoseconde, où des tissus aqueux initialement transparents (stroma cornéen) deviennent transitoirement ionisés sous laser intense, conduisant à la formation d’un plasma localisé responsable de l’ablation [8, 9]. Ces trois situations reposent sur des mécanismes d’ionisation d’un milieu initialement transparent et la formation d’un plasma absorbant, selon une dynamique pilotée par l’évolution de la densité électronique de la matière.

Dans ce contexte, le CEA/DAM-DIF développe ESTHER [10], un code d’hydrodynamique radiative unidimensionnel open-source. Si ESTHER est capable de simuler avec précision le chargement par choc laser dans les matériaux métalliques, il ne traite pas aujourd’hui la dynamique électronique dans les matériaux diélectriques.

OBJECTIFS:

Le premier objectif de la thèse est de développer et intégrer dans ESTHER un premier modèle de l’ionisation électronique dans les diélectriques, pour des matériaux de référence tels que l’eau ou le verre. Un point central du travail sera de décrire de manière continue l’évolution de la permittivité optique dans l’intégralité du domaine thermodynamique traversé, du solide isolant jusqu’à l’état plasma absorbant. L’originalité du travail réside dans le couplage direct de ce modèle de claquage optique avec un code d’hydrodynamique-radiative. Une telle approche est rare, la plupart des modèles traitant séparément la dynamique électronique et l’hydrodynamique, ou supposant le plasma déjà formé.

Le second objectif de la thèse consistera à valider expérimentalement les modèles développés via l’élaboration et la participation à des campagnes de tirs laser sur la plateforme GCLT (laser CEA/DAM-DIF) où les matériaux de référence seront considérés. Ces campagnes expérimentales permettront également d’étudier l’influence de la modulation spatiale de l’intensité au sein de la tache focale sur les processus d’initiation et de développement du claquage.

Enfin, sur la base des résultats expérimentaux obtenus et des simulations numériques associées, une analyse détaillée des mécanismes physiques de l’interaction laser-matière sera effectuée. Elle pourra notamment donner lieu à l’élaboration de modèles d’interaction plus avancés. L’ensemble de ces développements permettront alors d’optimiser les conditions de confinement pour la production de chocs intenses dans la matière.

DÉROULEMENT:

1. S’approprier la physique du choc laser en régime confiné et du claquage des matériaux diélectriques par une revue bibliographique.

2. En s’appuyant sur la littérature, développer un modèle de dynamique électronique dans des matériaux diélectriques courants (eau et verre) et l’implémenter dans le code ESTHER.

3. Concevoir et réaliser des campagnes de tirs sur GCLT, incluant des mesures VISAR (mesure de vitesse de la surface arrière), de transmission optique et d’imagerie.

4. Réaliser des simulations d’hydrodynamique pour interpréter les résultats expérimentaux.

5. Analyser l’impact du claquage diélectrique sur l’efficacité du confinement, la montée en pression, la forme du profil temporel du choc et la robustesse du chargement, en fonction des conditions laser (intensité, durée, forme de l’impulsion) et proposer des stratégies d’optimisation du chargement mécanique induit.

6. Publier les résultats de recherche dans des journaux internationaux à comité de lecture et les présenter lors de conférences.