Simulation numérique de l'interaction d'une impulsion laser nanosec avec un matériau diélectrique h/f

Les mécanismes physiques mis en jeu sont les suivants :

Dans un premier temps, l’impulsion laser excite les électrons (gain d’énergie), qui modifient en retour les propriétés optiques du matériau et la propagation laser elle-même. Il s’agit ainsi d’une interaction non linéaire qui est d’autant plus exacerbée par les pores du matériau (distribution aléatoire de zones de vide) : ils réfléchissent l’onde électromagnétique ce qui donne lieu à des interférences et des surintensités du champ électrique accélérant la dynamique électronique. Le dépôt d’énergie laser dépend donc des dynamiques couplées des électrons et de l’impulsion laser, ces dernières étant affectées par la porosité. Le dépôt d’énergie laser induit des gradients de température et de pression, ce qui forme une onde de choc. La propagation de cette dernière modifie la structure du matériau et peut par exemple changer la géométrie des pores, influençant donc encore le dépôt d’énergie. La description de ce système nécessite donc de coupler hydrodynamique et dynamique des électrons et de l’impulsion laser. Cela n’est possible qu’en résolvant numériquement les équations d’Euler, une équation de taux électronique et une version simplifiée des équations de Maxwell en deux dimensions d’espace.

L’objectif du post-doctorat est de modéliser et d’étudier ce système complexe. La première partie du travail est numérique. Elle consiste à coupler un code de dépôt d’énergie laser [Bourdineaud et al, Phys. Rev. E 111, 035309] à un code hydrodynamique [Lefebvre et al, Nucl. Fusion. 59, 032010 (2019)]. Ces deux codes sont disponibles dans le laboratoire. Le couplage physique s’effectuera via la variation d’énergie interne et le couplage numérique nécessitera une adaptation des maillages. Sur la base de ce développement, des études physiques seront réalisées dans un deuxième temps. Le cas homogène sera considéré comme une référence où sera considérée l’évolution spatio-temporelle de ladensité électronique, de l’intensité laser, et des contraintes mécaniques. De la porosité sera ensuiteintroduite dans le matériau avec diverses caractéristiques en termes de fraction volumique et degéométrie. La formation du choc sera alors étudiée et comparée au cas de référence. Ces étudespermettront de mieux comprendre les divers mécanismes d’interaction et de proposer descaractéristiques innovantes de la porosité pour augmenter la résistance mécanique des matériaux dansces conditions extrêmes.

Ces travaux s’effectueront dans le cadre du projet FLASH (PEPR-LUMA) et en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de l’université de Saint-Étienne.