Etude de l'interaction laser-matière appliquée à la décontamination de peintures

219 Pages·2017·20.27 MB·French

by  Francois Brygo

Etude de l’interaction laser-matière appliquée à la
décontamination de peintures
Francois Brygo
To cite this version:
Francois Brygo. Etude de l’interaction laser-matière appliquée à la décontamination de peintures.
Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université de Bourgogne, 2005. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-
00011392￿
HAL Id: tel-00011392
https://theses.hal.science/tel-00011392
Submitted on 8 Dec 2007
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
THESE

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE BOURGOGNE

Disciplines : Physique, chimie

par

François BRYGO

Etude de l’interaction laser - matière appliquée à la
décontamination de peintures

Soutenue le 09 décembre 2005 devant la commission d’examen :

D. Grevey Professeur - IUT Le Creusot Président
J. Hermann Chargé de recherche - Université de Marseille Rapporteur
E. Audouard Professeur - Université de St Etienne Rapporteur
R. Oltra Directeur de recherche - Université de Bourgogne Directeur de thèse
A. Semerok Commissariat à l’énergie atomique Co-directeur CEA
G. Decobert AREVA Examinateur
J-M. Weulersse Commissariat à l’énergie atomique Examinateur

THESE

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE BOURGOGNE

Disciplines : Physique, chimie

par

François BRYGO

Etude de l’interaction laser - matière appliquée à la
décontamination de peintures

Soutenue le 09 décembre 2005 devant la commission d’examen :

D. Grevey Professeur - IUT Le Creusot Président
J. Hermann Chargé de recherche - Université de Marseille Rapporteur
E. Audouard Professeur - Université de St Etienne Rapporteur
R. Oltra Directeur de recherche - Université de Bourgogne Directeur de thèse
A. Semerok Commissariat à l’énergie atomique Co-directeur CEA
G. Decobert AREVA Examinateur
J-M. Weulersse Commissariat à l’énergie atomique Examinateur

1
2
à Apolline,

3
4
Remerciements

Cette thèse est l’aboutissement de trois années de travail au sein du Laboratoire
Interaction Laser Matière, au Commissariat à l’Energie Atomique de Saclay
(DEN/DANS/DPC/SCP/LILM). Ce travail n’aurait pas été possible sans le soutien de
nombreuses personnes que je souhaiterais remercier ici.

Je tiens tout d’abord à exprimer toute ma gratitude à M. Roland Oltra, directeur de ma
thèse, pour son regard attentif sur ce travail, ainsi qu’à M. Frédéric Le Guern, qui a initié et
supporté ce projet.

Je souhaite remercier, de plus, MM. Guy Decobert et Hervé Masson, d’AREVA, qui
ont apporté leur soutien financier et leur compétence pour l’avancement de ce projet.

J’adresse de plus tous mes remerciements à MM. Dominique Grevey, Jörg Hermann
et Eric Audouard, membres du jury, pour leur expertise scientifique.

Je tiens à remercier tout particulièrement les deux personnes qui ont été les plus
proches de moi au cours de ces trois années : tout d’abord M. Alexandre Semerok,
responsable de ma thèse au Commissariat à l’Energie Atomique, pour sa disponibilité, ses
encouragements et son amitié, et qui m’a suivi tout au long de ces trois années, ainsi que M.
Jean-Marc Weulersse, qui a su faire partager son enthousiasme et avec qui j’ai eu l’occasion
d’entretenir de (très nombreuses) discussions tardives.

Je souhaiterais aussi remercier les personnes qui m’ont aidé pour la relecture et la
correction de cette thèse, et tout particulièrement Mme Catherine Gallou, dont les conseils
furent précieux.

Je tiens de plus à remercier l’ensemble du laboratoire LILM, qui m’a aidé au cours de
ces trois années, et tout particulièrement M. Pierre Yves Thro, chef du laboratoire, M. Daniel
Farcage qui a pris un grand soin des lasers hautes cadences, M. George Brunel pour ses
installations électroniques, MM. Christophe Hubert et Christian Lascoutouna pour leur aide
technique, M. Hervé Long pour son aide informatique, et sans oublier Mlle Sylvie Henry, pour
sa bonne humeur. Je n’oublierai pas les différentes personnes du Service de Chimie –
Physique, M. Patrick Mauchien, chef du Service de Chimie Physique, Mme Cécile Blanc
pour les imageries MEB, M. Michel Tabarant pour les analyses par GDMS et M. Denis Menut
pour les analyses par LIBS.

Un grand merci à l’ensemble du personnel du National Laser Center à Pretoria, qui
m’a accueilli à bras ouverts et m’a permis de découvrir l’Afrique du Sud : M. Wouter Klopper,
en particulier, pour le temps qu’il m’a consacré, M. Ted Roberts pour son aide scientifique,
M. Chris Herselmann, qui a consacré beaucoup de son temps pour mettre en place le burst
mode, M. Ken Labuschagne pour ces moments inoubliables au Game Park, ainsi que M.
Sisa Pityana, Rudolph, Patrick, et M. William Mourey pour son assistance.
5
Je souhaiterais aussi remercier M. Serguei Fomichev, avec qui j’ai travaillé pendant
plusieurs mois sur la modélisation, et avec qui j’ai entretenu de fructueuses discussions.

Je n’oublierai pas les non permanents avec qui, pour la plupart, j’ai eu l’occasion de
partager mon bureau : Christophe Dutouquet, Nicolas Bellotto, Jeanne Pernol, Barbara
Lamory, Maxime Taupin, Miguel Do Nascimento et Aurélie Bonnefois.

Enfin, je souhaiterais remercier ma compagne, Tiphaine Attila pour son soutien
inconditionnel, et qui a eu le courage et la patience de me supporter pendant ces trois
années, ainsi que mes parents, pour leur encouragement et la confiance qu’ils m’ont
accordé.

6
Table des matières

Liste des notations et symboles utilisés.............................................................................................10

Introduction.......................................................................................................................................11

Partie I : Description des systèmes optiques et caractérisation du matériau.17

Chapitre 1 : Etude bibliographique : l’ablation laser nanoseconde............................................17
1. Les processus d’interaction.........................................................................................................19
2. Le chauffage par laser.................................................................................................................19
2.1 Définitions.....................................................................................................................20
2.2 Résolution de l’équation de la chaleur : chauffage par une impulsion.........................21
2.3 Evolution de la fluence seuil d’ablation.........................................................................26
3. Les modèles d’ablation en régime de fluence modérée..............................................................26
3.1 Modèles de surface.......................................................................................................27
3.2 Modèles de volume........................................................................................................29
3.3 Modèles thermo-mécaniques........................................................................................29
3.4 Modèle de dynamique moléculaire................................................................................30
3.5 Conclusion sur les modèles............................................................................................30
4. Le régime haute fluence..............................................................................................................31
4.1 Formation du plasma......................................................................................................31
4.2 Absorption - diffusion du faisceau par les particules éjectées et/ou le plasma..............32
Conclusion..........................................................................................................................................33

Chapitre 2 : Systèmes expérimentaux...........................................................................................37
1. Les lasers.....................................................................................................................................39
1.1 Caractérisation des lasers..............................................................................................39
1.2 Le laser Nd : YAG 5 ns...................................................................................................40
1.3 Les lasers Nd : YAG 100 ns à cadence de tir variable...................................................41
1.4 Le laser TEA - CO .........................................................................................................45
2
2. Les techniques d’homogénéisation spatiale du faisceau.............................................................47
2.1 Homogénéisation avec un barreau en silice...................................................................47
2.2 Homogénéisation par imagerie d’un diaphragme...........................................................49
2.3 Homogénéisation avec une fibre optique multimode......................................................50
3. Imagerie rapide du plasma et de la matière éjectée....................................................................52
4. Pyrométrie optique.......................................................................................................................53
4.1 Principe...........................................................................................................................53
4.2 Description du pyromètre et configuration expérimentale..............................................55
4.3 Détermination de l’émissivité..........................................................................................57
4.4 Influence du faisceau laser lors de la mesure................................................................58
5. Profilométrie.................................................................................................................................58
6. Mesure de diffusion avec une sphère intégrante.........................................................................60
6.1 Définition de la luminance...............................................................................................60
6.2 Etalonnage de la sphère intégrante................................................................................62
6.3 Utilisation de la sphère intégrante pour les mesures de propriétés optiques.................63
Conclusion : bancs expérimentaux....................................................................................................67
7