L’ablation laser dans l’air à la pression atmosphérique est souvent appliquée dans l’industrie, l’analyse chimique, la chirurgie, … Pour un développement plus approfondi des technologies laser basées sur l’effet d’ablation, il est nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l’origine de l’interaction laser-matière. Lors d’un impact du faisceau laser sur la surface d’un matériau, une plume plasma se forme au dessus de la cible. Ce plasma contient des électrons, des atomes et des ions du matériau évaporé, ainsi que du gaz ambiant, s’il est présent. Lors de l’impulsion laser, cette plume absorbe une grande partie d’énergie du faisceau laser, réduisant ainsi la quantité du rayonnement laser qui arrive à la surface de la cible. Les dimensions, ainsi que les paramètres de cette plume plasma évoluent très rapidement avec le temps. L’étude de la dynamique et des paramètres de cette plume est très importante, parce qu’ils influent sur tous les processus physiques ayant lieu à la surface du matériau traité. Nous avons étudié l’expansion de la plume plasma formée lors de l’ablation des échantillons métalliques (Al, Ti, Fe) par faisceau laser Nd :YAG nanoseconde (durée d’impulsion : 5.1 ns, longueur d’onde : 1064 nm, irradiance de l’ordre de grandeur de GW/cm2) dans l’air à la pression atmosphérique en utilisant la technique d’imagerie rapide. Cette technique nous a permis d’observer l’évolution spatio-temporelle de la plume au début de son expansion. Les résultats obtenus indiquent que la plume d’ablation laser a une structure : deux régions ont été distinguées – le cœur et la périphérie de la plume. La dynamique de ces deux régions de la plume a été étudiée et les vitesses de leur expansion ont été déterminées. En plus, nous avons examiné l’influence de l’irradiance laser, ainsi que l’influence de la composition de la cible sur la dynamique de la plume. D’autre part, nous avons développé des modèles numériques sous COMSOL Multiphysics pour simuler le processus d’ablation laser. Un modèle thermique a été utilisé pour simuler l’interaction laser – cible. Les résultats de ce modèle ont été employés comme conditions à la limite du modèle hydrodynamique, utilisé pour simuler l’expansion de la plume du plasma dans l’air ambiant. Deux approches ont été proposées : approche microscopique et macroscopique. Les résultats de simulation basée sur l’approche macroscopique donnent l’évolution temporelle et distribution spatiale (1D) des paramètres de la plume : masse volumique, vitesse, pression. / Laser ablation in the air at atmospheric pressure is nowadays frequently applied in industry, chemical analysis, surgery… For a further development of laser ablation based technologies, it is necessary to better understand the laser – matter interaction. During the impact of a laser pulse on the surface of the treated material, a plasma plume forms above the target surface. This plume contains particles (electrons, ions, atoms) of ablated matter, as well as of ambient gas, if present. During the laser pulse, this plume absorbs a large amount of the laser beam energy, thus reducing the quantity of the laser radiation arriving to the target surface. Dimensions, as well as parameters of this plasma plume evolve very quickly in time. Study of the plasma plume’s dynamics and parameters is very important, since they influence all the physical processes occurring at the surface of the treated material. In this work, we have investigated the expansion of the plasma plume formed during the laser ablation of metallic targets (Al, Ti, Fe) by a Nd:YAG laser beam (wavelength 1064 nm, pulse duration 5.1 ns and irradiance of the order of GW/cm2) in the air at atmospheric pressure using fast imaging technique. The obtained results show that laser ablation plume has a certain structure: two regions have been distinguished – the core and the periphery of the plume. Dynamics of these two plume regions has been studied and expansion velocities have been determined. In addition, we have examined the influence of the laser irradiance, as well as of the target composition on the plume dynamics. On the other hand, we have developed numerical models in COMSOL Multiphysics in order to simulate laser ablation process. A thermal model has been used to simulate the laser – target interaction. The results obtained from this model have been employed as boundary conditions in the hydrodynamic model, used to simulate plasma plume expansion in the ambient air. Two approaches have been proposed: microscopic and macroscopic approach. The results obtained by the simulation based on macroscopic approach give temporal evolution and spatial distribution (1D) of plume parameters: density, velocity and pressure.

Plume-spacecraft interactions play an important role in the performance and integrity of spacecraft during their missions in space. The study encompasses a thruster’s plume simulation and its impact on spacecraft geometries to understand and predict the effects and consequences of the impingement on spacecraft surfaces, such as erosion, contamination, forces, and torques. The initial focus of the thesis is to simulate an electric thruster current density for both space and vacuum chamber measurements. This estimates the artificial broadening of the plume produced by low-pressure background air particles inside a vacuum chamber. Subsequently, the study adopts a conservative approach by considering a current density obtained from vacuum chamber measurements, which allowed for an evaluation of the potential effects on spacecraft surfaces, thus delivering insights into erosion, contamination, as well as the distribution of forces and torques. The results highlight the importance of considering spacecraft charging in plume interactions, as the surface potential significantly affects the impact of the thruster’s plume on spacecraft surfaces. The outcome obtained throughout this project suggests that the effects of particle impingement on erosion, contamination, forces, and torques in plume-spacecraft interactions are influenced by the thruster location and the spacecraft’s surface potential. It is important to note that additional factors, including thermal effects, radiation, and magnetic fields, which were not addressed in this thesis, may also pose potential threats to spacecraft performance and should be considered in future investigations. / Interaktioner mellan plym och rymdfarkoster spelar en viktig roll i rymdfarkosternas prestanda och integritet under deras uppdrag i rymden. Studien omfattar simulering av en raketmotors plym och dess inverkan på rymdfarkostens geometrier för att förstå och förutsäga effekterna och konsekvenserna av kollisionen på rymdfarkostens ytor, såsom erosion, förorening, krafter och vridmoment. Avhandlingens initiala fokus är att simulera strömtäthet i plymen från en elektrisk raketmotor för både rymd- och vakuumkammarmätningar. Detta uppskattar den artificiella expansionen av plymen som produceras av de molekyler som närvarar i det låga trycket inuti en vakuumkammare. Därefter antar studien ett konservativt tillvägagångssätt genom att överväga en strömtäthet erhållen från vakuumkammarmätningar, vilket möjliggjorde en utvärdering av de potentiella effekterna på ytorna på en rymdfarkost, och därmed leverera insikter om erosion, förorening, såväl som fördelningen av krafter och vridmoment. Resultaten understryker vikten av att överväga laddning av rymdfarkoster i plyminteraktioner, eftersom ytpotentialen signifikant påverkar raketmotorplymens påverkan på rymdfarkostens ytor. Resultatet som erhållits genom hela detta projekt tyder på att effekterna av partikelkollision på erosion, förorening, krafter och vridmoment i växelverkan mellan plym och rymdfarkoster påverkas av raketmotorns placering och rymdfarkostens ytpotential.

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz. / After decades of development, laser ablation has become an important technique for a large number of applications such as thin film deposition, nanoparticle synthesis, micromachining, chemical analysis, etc. Experimental and theoretical studies have been conducted to understand the physical mechanisms of the laser ablation processes and their dependence on the laser wavelength, pulse duration, ambient gas and target material. The present dissertation describes and investigates the relative importance of the physical mechanisms influencing the characteristics of aluminum laser-induced plasmas. The general scope of this research encompasses a thorough study of the interplay between the plasma plume dynamics and the ambient gas in which they expand. This is achieved by imaging and analyzing the temporal and spatial evolution the plume in terms of spectral intensity, electron density and excitation temperature within various environments extending from vacuum (10‾7 Torr) to atmospheric pressure (760 Torr), in an inert gas like Ar and He, as well as in a chemically active gas like N2. Our results show that the plasma emission intensity generally differs with the nature of the ambient gas and it is strongly affected by its pressure. In addition, for a given time delay after the laser pulse, both electron density and plasma temperature increase with the ambient gas pressure, which is attributed to plasma confinement. Moreover, the highest electron density is observed close to the target surface, where the laser is focused and it decreases by moving away (radially and axially) from this position. In contrast with the significant axial variation of plasma temperature, there is no large variation in the radial direction. Furthermore, argon was found to produce the highest plasma density and temperature, and helium the lowest, while nitrogen yields intermediate values. This is mainly due to their physical and chemical properties such as the mass, the excitation and ionization levels, the thermal conductivity and the chemical reactivity. The expansion of the plasma plume is studied by time- and space-resolved imaging. The results show that the ambient gas does not appreciably affect plume dynamics as long as the gas pressure remains below 20 Torr and the time delay below 200 ns. However, for pressures higher than 20 Torr, the effect of the ambient gas becomes important and the shorter plasma plume length corresponds to the highest gas mass species and the lowest thermal conductivity. These results are confirmed by Time-Of-Flight (TOF) measurements of Al+ line emitted at 281.6 nm. Moreover, the velocity of aluminum ions is well defined at the earliest time and close to the target surface. However, at later times, the ions travel through the plume and become thermalized through collisions with plasma species and with surrounding ambient gas.