Brevet FR3117903A1 — publié le 20220624

L’invention concerne un système (10) de traitement d’une cible (Tar) par choc laser en régime de confinement dans un liquide (Liq), le système comprenant : -un laser impulsionnel (L) générant un faisceau (B) présentant une durée d’impulsion τ comprise entre 1 ns et 30 ns et une longueur d’onde λ, -un dispositif optique de concentration (COD) présentant une focale f et configuré pour concentrer le faisceau (B) à la surface (St) de la cible, le faisceau laser incident sur le dispositif de concentration présentant un diamètre D, -une cuve (TK) remplie dudit liquide présentant un indice n, une valeur souhaitée du diamètre du faisceau sur une surface (St) de la cible étant prédéterminée et dénommée Dst, une épaisseur e de liquide traversée par le faisceau avant d’atteindre la surface de la cible étant choisie de manière à ce qu’une intensité laser à la surface du liquide (Isl) soit inférieure ou égale à une intensité laser à la surface de la cible (Ist) divisée par 2. Figure à publier : figure 5 Système de traitement de matériau par choc laser amélioré DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne le domaine du traitement des matériaux par choc laser, basé sur la génération d’un plasma confiné à la surface de la cible à traiter, et qui génère une onde de choc dans le matériau. ETAT DE LA TECHNIQUE Le choc laser est un procédé laser permettant d’apporter rapidement de l’énergie sur une cible (typiquement métallique ou en matériau composite) afin de créer un plasma de très haute pression. On génère par ce procédé une onde de choc très intense (pressions de l’ordre du GPa), permettant de réaliser différentes applications. Un exemple de système 5 mettant en œuvre le traitement par choc laser connu de l’état de la technique est illustré . Il comprend un laser impulsionnel L générant un faisceau B sous la forme d’impulsions LP et un dispositif optique de concentration COD de focale f configuré pour concentrer le faisceau B sur la surface de la cible Tar à traiter. Classiquement la cible n’est pas placée dans le plan focal du dispositif COD, car pour les applications précitées on recherche un diamètre du faisceau sur la surface de la cible, à l’interface avec le milieu de confinement, de l’ordre du mm (typiquement compris entre 0.3 mm et 10 mm). Le laser crée par ablation laser un plasma PLconf de très haute pression. Un milieu de confinement est placé sur la surface ablatée par laser. Le confinement le plus usuel et pratique industriellement est une couche fine CL d’un milieu transparent au laser (eau, autre liquide transparent au laser, quartz, scotch polymère, …), typiquement d’une épaisseur de 1 à quelques mm. Le régime confiné permet d’augmenter considérablement la pression du plasma et sa durée d’application sur la cible. Optionnellement un revêtement thermo-protecteur HPC est déposé sur la cible à traiter. On génère avec ce système une onde de choc OC très intense, avec des pressions de l’ordre du GPa, permettant de réaliser différentes applications. L’interaction laser/matière et le traitement par choc laser sont par exemple décrits dans les publications : -Sollier et al : « Laser-matter interaction in laser chock processing », First international symposium on High power laser Macroprocessing, SPIE n° 4831, pages 463- 467 (2003), -J.T Wang et al : «Effects of laser shock peening on stress corrosion behavior of 7075 aluminium alloy laser welded joints », Material Science & Engineering A647 pages 7-14 (2015). Pour générer le plasma et donc l’onde de choc dans de bonnes conditions pour opérer le traitement, il convient d’utiliser un laser avec une durée d’impulsionτ typiquement comprise entre 1 ns et 30 ns et d’énergie E comprise entre 0.5 et 10 J, focalisée sur la cible selon une taille comprise entre 0.3 et 10 mm, ces différents paramètres étant choisis en fonction de l’application visée. Les principales applications sont : -les tests d’adhérence et le désassemblage par choc (LASAT – LAser Shock Adhesion Test) ; deux ondes de choc sont générées par deux impulsions laser décalées dans le temps et se rencontrent à la jonction de l’assemblage à tester ou à désassembler, une forte contrainte de traction est nécessaire (publication de référence : Berthe et al : « State-of-the-art laser adhesion test (LASAT) », Nondestructive Testing and Evaluation, Vol. 26, Nos. 3–4, pages 303–317 (2011)), -le renforcement de surface par grenaillage laser (LSP – Laser Shock Peening) ; la forte pression appliquée par le plasma, et transmise à la cible via l’onde de choc, permet de plastifier la cible et d’en améliorer les propriétés (résistance, durée de vie,…) (publication de référence : Montross et al : « Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys: a review », International Journal of Fatigue 24, pages 1021–1036 (2002)), -la caractérisation de matériaux sous hautes pressions. Ces applications concernent principalement la recherche scientifique et différents domaines d’activités industrielles comme l’aéronautique, le nucléaire ou le naval. Le paramètre important pour ces systèmes est la densité de puissance ou intensité I irradiant la cible exprimée en GW/cm², puisque la pression générée est proportionnelle à la racine carrée de l’intensité laser (voir par exemple la publication de Fabbro et al : « Physical study of laser produced plasma in conﬁned geometry », Journal of Applied Physics, 68(2), pages 775–784 (1990) ). avec l’intensité laser I (GW/cm²) définie selon la formule : (1) où E est l’énergie laser par pulse (J), la durée d’impulsion laser (ns) et S la surface irradiée par le laser (cm²) Cependant, il n’est pas possible d’augmenter indéfiniment la pression générée en augmentant l’intensité laser irradiant la cible car l’intensité laser transmise sur cible sature par un mécanisme de claquage apparaissant en surface du confinement. En effet le régime d’interaction laser/matière dans le choc laser met en jeu deux types de plasmas différents : le plasma confiné PLconf qui se développe au niveau de la surface de la cible, c’est-à-dire de l’interface cible-liquide de confinement illustré , et un plasma de claquage PLbk/s apparaissant à la surface du liquide, illustré et dû à un phénomène de ionisation du milieu de confinement. Ce plasma de claquage est par exemple étudié dans la publication de Sollier et al « Numerical modeling of the transmission of breakdown plasma generated in water during laser shock processing », Eur. Phys. AP, vol 16, pages 131-139 (2001). Le plasma de claquage PLbk/s qui apparaît est opaque au rayonnement laser et absorbe ainsi le reste de l’énergie contenue dans l’impulsion laser. Il résulte de ce phénomène de claquage que l’intensité maximale irradiant une cible en choc laser confiné est bornée par l’intensité seuil de claquage dans le milieu de confinement. Ce phénomène est visible sur la de la publication précitée : au-delà d’une intensité incidente seuil à la surface du milieu de confinement (ici de l’eau), que nous dénommerons Ibk, d’environ 8 GW/cm 2 (avec par exemple : λ=1064 nm etτ = 25 ns) l’intensité du pulse transmis par le milieu de confinement sature alors que l’intensité incidente augmente. Par conséquent, la pression maximale que l’on peut générer par choc laser est aussi bornée. Comme l’épaisseur de la couche d’eau est faible devant la focale utilisée (1 à 3mm d’épaisseur versus une focale de 300 à 500 mm par exemple), on peut considérer que l’intensité à la surface de la cible Ist est sensiblement égale à l’intensité à la surface de l’eau Isl, et donc que l’intensité maximale que l’on peut appliquer à la surface de la cible est également de 8 GW/cm 2 . Avec cette intensité appliquée de 8 GW/cm 2 la pression maximale obtenue par choc laser dans la gamme de durée d’impulsion 5-15 ns est d’environ 8 GPa. Pour pouvoir désassembler certains assemblages résistants ou épais, les pressions obtenues aujourd’hui par choc laser sont trop faibles. De même, il faut généralement une pression supérieure à 2,5 fois la limite élastique pour pouvoir renforcer de manière optimale la cible par grenaillage laser, et les pressions actuelles ne permettent donc pas de traiter l’ensemble des matériaux, notamment les plus résistants. Ainsi, pouvoir augmenter la valeur maximale de pression permettrait de répondre à des besoins existants et aujourd’hui non satisfaits. Quelques solutions sont aujourd’hui possibles pour augmenter la pression sur la cible : Réduction de la durée d’impulsion laser. Il est démontré dans la littérature (expérimentalement et théoriquement) que dans un milieu de confinement donné, l’intensité laser seuil de claquage Ipk est inversement proportionnelle à la racine carrée de la durée d’impulsion laser ( ). Ainsi, pour augmenter l’intensité laser maximale irradiant la cible (et donc la pression maximale créée) une solution est de réduire la durée d’impulsion du système laser utilisé puisque l’intensité seuil de claquage augmentera. Cependant bien que cette solution permette d’augmenter la pression maximale générée par le plasma, elle pose des problèmes de viabilité et d’utilité : en effet, la durée de l’onde de choc dépend de la durée de l’impulsion laser (environ 2 fois sa valeur), et l’amortissement d’une onde de choc augmente d’autant plus que sa durée est courte. L’onde ainsi générée s’amortira plus rapidement dans la cible traitée (car la durée d’impulsion laser a été diminuée) et la pression « utile » (au cœur du matériau, et pas en surface) ne sera donc pas augmentée, voire aura diminué. Utilisation du régime dit direct : Une seconde solution consiste à se passer du régime confiné, et d’utiliser le régime d’irradiation direct: il n’y a donc plus de confinement autour de la cible pour augmenter sa pression. Le régime direct permet cependant d’obtenir des pressions similaires au régime confiné en utilisant des intensités laser 10 à 100 fois plus élevées. Il faut en revanche réaliser un vide poussé autour de la cible pour éviter tout phénomène de claquage dans l’air, très probable à ces niveaux d’intensités. Cette seconde solution est difficile à appliquer industriellement car elle requiert d’une part de faire le vide autour de la pièce à traiter, et d’autre part nécessite des systèmes lasers très énergétiques, donc onéreux et encombrants. Utilisation d’un champ magnétique ou électrique (Brevet N° CN201210571521 et N° US10745776) au moment de la création du plasma, pour apporter (par transfert) une énergie supplémentaire au plasma. Mais ces solutions n’ont pas donné de résultat probant et n’augmentent pas significativement les niveaux de pression générées ou sont trop compliquées à mettre en œuvre et à calibrer. Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un système permettant d’augmenter l’intensité maximale à la surface de la cible, et donc d’augmenter la pression transmise à la cible par choc laser. Par ailleurs le système selon l’invention est économique car il ne nécessite pas de modifier les lasers utilisés dans les systèmes de choc laser existant. DESCRIPTION DE L’INVENTION La présente invention a pour objet un système de traitement d’une cible par choc laser en régime de confinement dans un liquide, le système comprenant : -un laser impulsionnel générant un faisceau présentant une durée d’impulsion τcomprise entre 1 ns et 30 ns et une longueur d’onde λ, -un dispositif optique de concentration présentant une focale f et configuré pour concentrer le faisceau à la surface de la cible, le faisceau laser incident sur le dispositif de concentration présentant un diamètre D, -une cuve remplie dudit liquide présentant un indice n, une valeur souhaitée du diamètre du faisceau sur une surface de la cible étant prédéterminée et dénommée Dst, une épaisseur e de liquide traversée par le faisceau avant d’atteindre la surface de la cible étant choisie de manière à ce qu’une intensité laser à la surface du liquide soit inférieure ou égale à une intensité laser à la surface de la cible divisée par 2. Selon un mode de réalisation préféré l’épaisseur e est choisie supérieure ou égale à une épaisseur minimale e min définie par : Selon un mode de réalisation le système selon l’invention comprend en outre un élément configuré pour homogénéiser le faisceau et disposé sur le trajet optique dudit faisceau. Selon un mode de réalisation une énergie E du laser et le dispositif optique de concentration sont configurés de sorte que l’intensité laser à la surface de la cible est comprise entre 0.1 GW/cm 2 et 25 GW/cm 2 et ladite valeur prédéterminée Dst est comprise entre 0.3 à 10 mm. Selon un mode de réalisation le liquide présente un coefficient d’absorption à ladite longueur d’onde inférieur ou égal à 0.1/m 2 . Selon un mode de réalisation le liquide est l’eau et la longueur d’onde λ du laser est comprise dans l’intervalle [350 nm ; 600 nm]. Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé de traitement d’une cible par choc laser en régime de confinement dans un liquide comprenant : -disposer d’une cuve remplie dudit liquide et contenant la cible, - générer un faisceau présentant une durée d’impulsion τcomprise entre 1 ns et 30 ns avec un laser impulsionnel, -concentrer le faisceau à la surface de la cible immergée avec un dispositif optique de concentration de focale f, le faisceau incident sur le dispositif optique de concentration présentant un diamètre D, -positionner la cible dans la cuve puis illuminer la surface avec le faisceau, de sorte que le faisceau traverse une épaisseur e de liquide au moins égale à une épaisseur minimale e min avant d’atteindre la surface de la cible et de sorte que le diamètre du faisceau sur la surface de la cible soit égal à une valeur prédéterminée Dst, l’épaisseur minimale de liquide e min étant définie par : une intensité laser à la surface du liquide étant alors strictement inférieure à une intensité laser à la surface de la cible divisée par 2. La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : La déjà citée illustre un système de caractérisation par choc laser selon l’état de l’art. La déjà citée illustre les deux plasmas intervenant dans le mécanisme du choc laser. La illustre le protocole de mesure utilisé pour démontrer l’existence d’un mécanisme de claquage en volume. La illustre l’évolution de la transmission en fonction de l’intensité maximale Imax atteinte dans le milieu de confinement, pour les deux cas (points croix couche d’eau de 2 mm, points cercle couche d’eau de 15 cm). La illustre un système de traitement d’une cible par choc laser selon l’invention. La illustre la pression appliquée via le plasma de confinement en fonction de l’intensité maximale atteinte dans le milieu de confinement, pour les deux cas précédents (points croix couche d’eau de 2 mm, points cercle couche d’eau de 15 cm). Système (10) de traitement d’une cible (Tar) par choc laser en régime de confinement dans un liquide (Liq), le système comprenant : -un laser impulsionnel (L) générant un faisceau (B) présentant une durée d’impulsion τ comprise entre 1 ns et 30 ns et une longueur d’onde λ, -un dispositif optique de concentration (COD) présentant une focale f et configuré pour concentrer le faisceau (B) à la surface (St) de la cible, le faisceau laser incident sur le dispositif de concentration présentant un diamètre D, -une cuve (TK) remplie dudit liquide présentant un indice n, une valeur souhaitée du diamètre du faisceau sur une surface (St) de la cible étant prédéterminée et dénommée Dst, une épaisseur e de liquide traversée par le faisceau avant d’atteindre la surface de la cible étant choisie de manière à ce qu’une intensité laser à la surface du liquide (Isl) soit inférieure ou égale à une intensité laser à la surface de la cible (Ist) divisée par 2. Système selon la revendication précédente dans lequel l’épaisseur e est choisie supérieure ou égale à une épaisseur minimale e min définie par : Système selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre un élément (BH) configuré pour homogénéiser le faisceau et disposé sur le trajet optique dudit faisceau. Système selon l’une des revendications précédentes dans lequel une énergie E du laser et le dispositif optique de concentration sont configurés de sorte que l’intensité laser à la surface de la cible (Ist) est comprise entre 0.1 GW/cm 2 et 25 GW/cm 2 et ladite valeur prédéterminée Dst est comprise entre 0.3 à 10 mm. Système selon l’une des revendications précédentes dans lequel le liquide présente un coefficient d’absorption (α) à ladite longueur d’onde λ inférieur ou égal à 0.1/m 2 . Système selon l’une des revendications précédentes dans lequel le liquide est l’eau et la longueur d’onde λ du laser est comprise dans l’intervalle [350 nm ;600 nm]. Procédé de traitement d’une cible (Tar) par choc laser en régime de confinement dans un liquide (Liq) comprenant : -disposer d’une cuve remplie dudit liquide et contenant la cible, - générer un faisceau (B) présentant une durée d’impulsion τ comprise entre 1 ns et 30 ns avec un laser impulsionnel, -concentrer le faisceau (B) à la surface de la cible immergée avec un dispositif optique de concentration (COD) de focale f, le faisceau incident sur le dispositif optique de concentration présentant un diamètre D, -positionner la cible dans la cuve puis illuminer la surface avec le faisceau, de sorte que le faisceau traverse une épaisseur e de liquide au moins égale à une épaisseur minimale e min avant d’atteindre la surface de la cible et de sorte que le diamètre du faisceau sur la surface de la cible (St) soit égal à une valeur prédéterminée Dst, l’épaisseur minimale de liquide e min étant définie par : une intensité laser à la surface du liquide (Isl) étant alors strictement inférieure à une intensité laser à la surface de la cible (Ist) divisée par 2.