L'étude de l'allumage d'un mélange gazeux combustible/comburant est d'un intérêt fondamentale et d'une importance cruciale dans les moteurs à combustion interne et dans les turbines à gaz. Une nouvelle méthode d'allumage, récemment utilisée, consiste à créer une étincelle par focalisation d'un faisceau laser.<br />L'objectif du présent travail est d'effectuer une étude paramétrique de ce mode d'allumage pour des mélanges en phases liquides dispersées et gazeuses, ainsi que d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques liés au claquage optique, aussi bien dans l'air que dans les mélanges inflammables. Les plasmas rencontrés sont caractérisés, en termes de concentrations et de températures électroniques, avant d'aborder l'étude paramétrique du claquage dans l'air et de l'allumage des mélanges gazeux et diphasiques inflammables. L'importance de la dynamique induite par l'étincelle laser sur l'évolution de la structure et de la forme du noyau d'allumage est considérée. Le rôle des aberrations, et en particulier de l'aberration sphérique, est soigneusement étudié du point de vue théorique. Des conclusions importantes sur l'interprétation des résultats expérimentaux sont dégagées. La détermination des seuils de claquage, ainsi que l'identification des processus déterminants, sont analysés à la lumière d'un modèle basé sur la détermination de l'évolution de la concentration d'électrons libres dans le volume focal. Finalement, la faisabilité de l'allumage laser à la sortie d'un injecteur prévaporisé, prémélangé en régime pauvre est démontrée.

Chaque année, le nombre de demandeur d’organe augmente en France comme dans le reste du monde. Pour combattre ce fléau, il existe aujourd’hui des technologies permettant d’imprimer du vivant, telle que la Bioimpression Assistée par Laser (LAB). Robuste et précise, cette méthode s’appuie sur les propriétés d’interaction laser-matière pour éjecter une bio-encre constituée de cellules vivantes. Pour éviter l’utilisation d’une couche absorbante sacrificielle, généralement utilisée, on focalise directement un faisceau laser dans la bioencre afin de générer un plasma puis une bulle de cavitation. La position de cette bulle est essentiellement maitrisée pas la longueur d’onde, et sa taille est gérée par l’énergie et la durée d’impulsion du laser. Ce sont les facteurs clés pour maîtriser l’éjection de matière biologique. Cependant, l’inhomogénéité locale apportée par les cellules perturbe l’impact du laser et donc la reproductibilité des jets, mais une fois imprimées, ces cellules sont viables et permettent de reconstruire des tissus vivants. / Every year, the transplant waiting list gets bigger in France as in all over the world. To fight this curse, Bioprinting makes organ printing possible, especially with Laser Assisted Bioprinting (LAB). Robust and precise, this method use laser-matter interaction to eject a bioink made of living cells. To avoid the use of absorbing sacrificial layer, we directly focalize a laser beam into a living cells bioink, to create a plasma then a cavitation bubble. Its position, which is mainly driven by laser wavelength, and its size, managed by the energy and pulse duration, are the most important keys to control liquid jet ejection. However, the laser energy deposition and jet ejection is disturbed because of cells local concentration disparity, but when cells are printed, they are still viable and able to reconstruct living tissues.

La microfabrication 3D par laser dans les matériaux à faible bande interdite nécessitera l'utilisation d'impulsions intenses dans l'infrarouge proche et moyen. Cette étude expérimentale se concentre sur les spécificités de la physique d'ionisation nonlinéaire dans la gamme de longueur d'onde de 1300-2200 nm. Contrairement aux semiconducteurs, l'absorption nonlinéaire mesurée dans les diélectriques est indépendante de la longueur d'onde révélant ainsi l'importance accrue de l'ionisation par effet tunnel avec ces longueurs d'onde. Nous étudions également les rendements et les seuils d'ionisation multiphotonique et avalanche dans le silicium intrinsèque et dopé N. Les résultats couplés à l'observation des matériaux irradiés montrent que les propriétés intrinsèques des semiconducteurs empêchent un dépôt d'énergie suffisamment confiné pour viser directement des applications de modification locale. Ce travail illustre les possibilités de micro-usinage laser 3D dans les diélectriques et les défis de l'extension de cette technique aux semiconducteurs.

Nous étudions de façon expérimentale les mécanismes d'excitation et de relaxation électroniques, sous irradiation par impulsion laser (UV et IR) ultracourte (60 fs - 1 ps), dans les matériaux diélectriques à large bande interdite. Les régimes explorés vont de l'ionisation sans modification permanente (quelques TW/cm²) jusqu'au régime ablatif (dizaines de TW/cm²). L'objectif de ce travail à caractère fondamental est la compréhension du processus d'endommagement laser dans nos conditions d'irradiation. D'abord, la connaissance de la densité électronique du matériau irradié aux différents stades d'excitation permet la quantification de cette interaction. La technique d'interférométrie résolue en temps est utilisée pour mesurer de façon directe cette quantité d'excitation. Cette mesure, effectuée au seuil de claquage pour différentes durées d'impulsion remet en question l'utilisation de densité d'excitation critique comme critère universel d'endommagement. Un nouveau critère, lié à l'énergie échangée est proposé. D'autre part, l'utilisation d'un schéma expérimental à deux impulsions " pompes " a permis la distinction des mécanismes d'excitation intervenant à l'échelle temporelle de l'ordre de la durée des impulsions utilisées. Nos résultats indiquent des comportements différents selon les matériaux utilisés. L'existence d'une avalanche électronique est observée dans certains matériaux (SiO2, NaCl) alors que ceci n'est pas le cas pour d'autres (Al2O3, MgO). Ces différences seront discutées en détail. Ensuite, nous mesurons le spectre en énergie des électrons excités par une technique complémentaire : la spectroscopie de photoémission. Ces résultats ont permis d'une part de montrer l'existence d'un effet croisé entre deux impulsions " pompes " qui se traduit par une augmentation de l'énergie des photoélectrons et d'autre part la mesure des temps caractéristiques de relaxation des électrons selon leur énergie cinétique. Enfin, une étude morphologique des cratères résultants de l'ablation a été effectuée et ce pour différents paramètres d'irradiation avec une seule impulsion (nombre de tirs, énergie et durée de l'impulsion) ainsi que pour le cas de l'association de deux impulsions en fonction de leur délai.

La microfabrication 3D par laser dans les matériaux à faible bande interdite néces- sitera l’utilisation d’impulsions intenses dans l’infrarouge proche et moyen. Cette étude expérimentale se concentre sur les spécificités de la physique d’ionisation nonlinéaire dans la gamme de longueur d’onde de 1300-2200nm. Contrairement aux semiconducteurs, l’ab- sorption nonlinéaire mesurée dans les diélectriques est indépendante de la longueur d’onde révélant ainsi l’importance accrue de l’ionisation par effet tunnel avec ces longueurs d’onde. Nous étudions également les rendements et les seuils d’ionisation multiphotonique et ava- lanche dans le silicium intrinsèque et dopé N. Les résultats couplés à l’observation des ma- tériaux irradiés montrent que les propriétés intrinsèques des semiconducteurs empêchent un dépôt d’énergie suffisamment confiné pour viser directement des applications de modifica- tion locale. Ce travail illustre les possibilités de micro-usinage laser 3D dans les diélectriques et les défis de l’extension de cette technique aux semiconducteurs. / 3D laser microfabrication inside narrow gap solids like silicon will require the use of long wavelength intense pulses. This experimental study concentrates on the specificity of the nonlinear ionization physics with tightly focused femtosecond laser beams over a wa- velength range of 1300-2200nm. The measured nonlinear absorption is independent of the wavelength in dielectrics revealing the increased importance of tunnel ionization with long wavelength. This can open up an alternative to pulse shortening toward ultraprecision op- tical breakdown in dielectrics. Using n-doped silicon, we study the multiphoton-avalanche absorption yields and thresholds inside semiconductors. Also observations of the irradia- ted materials reveal that the intrinsic properties of semiconductors prevent efficient direct energy deposition in the bulk for applications. This work illustrates opportunities for 3D laser micromachining in dielectrics and challenges for its extension to semiconductors.

Quels sont les processus d'excitation électronique impliqués dans le claquage optique des solides diélectriques ? Cette question, débattue depuis la fin des années 60, a récemment connu un regain d'intérêt, dans le cas où le claquage est induit par des impulsions laser picoou femtosecondes. Dans cette gamme de durée, un modèle a récemment été proposé, selon lequel les électrons de conduction seraient essentiellement injectés par une très forte avalanche électronique, initiée par une faible densité de porteurs libres excités par absorption multiphotonique. Jusqu'à présent, les seules observations expérimentales en faveur de ce modèle sont des mesures de seuils de claquage en fonction de la durée de l'impulsion laser. Nous avons adopté une approche expérimentale plus directe de ce problème, fondée sur deux expériences pompe-sonde. Grâce à la technique d'interférométrie fréquentielle, nous avons mesuré la densité totale d'électrons de conduction excités par une impulsion laser ultra-brève, en fonction de la durée et de l'intensité de cette dernière, aussi bien en-dessous qu'au-dessus du seuil de claquage. Ces mesures démontrent de façon très directe que l'absorption multiphotonique par les électrons de valence est le processus dominant d'injection de porteurs : aucune avalanche électronique ne se produit avec des impulsions lasers de moins de quelques picosecondes. L'ionisation par impact des électrons de valence par les électrons de conduction est une étape cruciale dans les modèles d'avalanche. Nous avons donc réalisé une expérience de photoémission résolue en temps, afin d'évaluer l'efficacité de ce processus dans les diélectriques. Des électrons étaient injectés dans la bande de conduction, au-dessus du seuil d'ionisation par impact, grâce à une impulsion pompe UV (40 eV) femtoseconde. La relaxation de ces électrons était ensuite sondée au moyen d'une impulsion infrarouge intense. En mesurant la distribution en énergie des photoélectrons émis par le solide en fonction du délai pompe-sonde, nous avons montré que le processus d'ionisation par impact se produit sur une échelle de temps caractéristique de quelques dizaines de picosecondes pour des électrons de conduction de quelques dizaines d'eV dans SiO2 : cette faible efficacité pourrait expliquer pourquoi il ne peut pas se produire d'avalanche électronique avec des impulsions ultra-brèves, comme nous l'avons démontré par interférométrie fréquentielle.