Modélisation de la transition solide-plasma dans les matériaux diélectriques pour la génération[...]

CEA; Bruyères-le-Châtel; Sur place; EUR 40 000 - 60 000; Plein temps

Résumé du poste

Un institut de recherche scientifique basé à Bruyères-le-Châtel propose une thèse sur la modélisation de la transition solide-plasma pour la génération de chocs laser. Les candidats doivent avoir un Bac+5 dans un domaine scientifique avec un fort intérêt pour la simulation numérique. Les responsabilités incluent le développement de modèles d'ionisation, la réalisation d'expériences, et l'analyse des résultats. Le poste est disponible à partir du 01/10/2026 et un contact est disponible pour plus d'informations.

Qualifications

• Appétence pour la simulation numérique et l'expérimentale.
• Solides connaissances en mécanique/matériaux ou plasma.
• Compétences en mathématiques appliquées.

Responsabilités

• Développer un modèle d'ionisation électronique dans les diélectriques.
• Concevoir et réaliser des campagnes de tirs laser.
• Analyser l'impact du claquage diélectrique sur l'efficacité du confinement.

Formation

Dernière année d'école d'ingénieurs ou universitaire (Bac+5)

Description du poste

Description du sujet de thèse

Domaine

Physique de l'état condensé, chimie et nanosciences

Sujets de thèse

Modélisation de la transition solide-plasma dans les matériaux diélectriques pour la génération de chocs laser en régime confiné

Contrat

Thèse

Description de l'offre

CONTEXTE:

Lorsqu'un laser intense (plusieurs dizaines de joules, pour des durées d'impulsion de l'ordre de la dizaine de nanosecondes) est focalisé sur la surface d'un métal, la matière solide irradiée est ionisée et se transforme en plasma. La détente rapide de ce plasma génère une pression de plusieurs gigapascals sur cette surface et produit une onde de choc qui se propage dans le matériau. La capacité à maîtriser précisément le dépôt d'énergie laser, et donc l'amplitude et la forme temporelle du choc, est essentielle aussi bien pour des applications industrielles (désassemblage de matériaux composites, traitements mécaniques par choc laser [1]) que pour des objectifs académiques (caractérisation dynamique des propriétés thermo‑mécaniques, équations d'état sous choc [2]).

Dans les configurations de choc laser confiné, un matériau diélectrique transparent (par exemple de l'eau ou du verre) est placé sur la face avant du métal irradié. Au début de l'interaction, ce diélectrique étant transparent au laser, il confine la détente du plasma formé sur le métal ce qui augmente fortement la pression de choc générée dans la cible. Cependant, au-delà d'un seuil d'intensité ou de durée d'impulsion, le diélectrique peut claquer : il passe brutalement d'un état isolant transparent à un état conducteur et absorbant, limitant l'énergie laser transmise à la surface métallique [3, 4]. Ce phénomène modifie l'efficacité du dépôt d'énergie, réduisant la pression générée et pouvant également compromettre la reproductibilité du chargement. Par ailleurs, les effets d'inhomogénéité 2D liés à la distribution spatiale de l'intensité au sein de la tache focale (fluctuations de type speckles) sont encore insuffisamment documentés. Or, la présence éventuelle de points chauds issus de ces modulations spatiales peut jouer un rôle déterminant dans l'initiation du claquage. La capacité à prédire de manière fiable ce phénomène de claquage optique reste donc ainsi aujourd'hui limitée.

Ce problème de la transition solide diélectrique / plasma intervient également en fusion par confinement inertiel en attaque directe, où la transition solide-plasma dans les ablateurs diélectriques conditionne l'initialisation et l'efficacité du processus de fusion nucléaire [5, 6, 7], ainsi qu'en chirurgie oculaire femtoseconde, où des tissus aqueux initialement transparents (stroma cornéen) deviennent transitoirement ionisés sous laser intense, conduisant à la formation d'un plasma localisé responsable de l'ablation [8, 9]. Ces trois situations reposent sur des mécanismes d'ionisation d'un milieu initialement transparent et la formation d'un plasma absorbant, selon une dynamique pilotée par l'évolution de la densité électronique de la matière.

Dans ce contexte, le CEA/DAM‑DIF développe ESTHER [10], un code d'hydrodynamique radiative unidimensionnel open‑source. Si ESTHER est capable de simuler avec précision le chargement par choc laser dans les matériaux métalliques, il ne traite pas aujourd'hui la dynamique électronique dans les matériaux diélectriques.

OBJECTIFS

Le premier objectif de la thèse est de développer et intégrer dans ESTHER un premier modèle de l'ionisation électronique dans les diélectriques, pour des matériaux de référence tels que l'eau ou le verre. Un point central du travail sera de décrire de manière continue l'évolution de la permittivité optique dans l'intégralité du domaine thermodynamique traversé, du solide isolant jusqu'à l'état plasma absorbant. L'originalité du travail réside dans le couplage direct de ce modèle de claquage optique avec un code d'hydrodynamique‑radiatif. Une telle approche est rare, la plupart des modèles traitant séparément la dynamique électronique et l'hydrodynamique, ou supposant le plasma déjà formé.

Le second objectif de la thèse consistera à valider expérimentalement les modèles développés via l'élaboration et la participation à des campagnes de tirs laser sur la plateforme GCLT (laser CEA/DAM‑DIF) où les matériaux de référence seront considérés. Ces campagnes expérimentales permettront également d'étudier l'influence de la modulation spatiale de l'intensité au sein de la tache focale sur les processus d'initiation et de développement du claquage.

Enfin, sur la base des résultats expérimentaux obtenus et des simulations numériques associées, une analyse détaillée des mécanismes physiques de l'interaction laser‑matière sera effectuée. Elle pourra notamment donner lieu à l'élaboration de modèles d'interaction plus avancés. L'ensemble de ces développements permettront alors d'optimiser les conditions de confinement pour la production de chocs intenses dans la matière.

DÉROULEMENT

1. S'approprier la physique du choc laser en régime confiné et du claquage des matériaux diélectriques par une revue bibliographique.
2. En s'appuyant sur la littérature, développer un modèle de dynamique électronique dans des matériaux diélectriques courants (eau et verre) et l'implémenter dans le code ESTHER.
3. Concevoir et réaliser des campagnes de tirs sur GCLT, incluant des mesures VISAR (mesure de vitesse de la surface arrière), de transmission optique et d'imagerie.
4. Réaliser des simulations d'hydrodynamique pour interpréter les résultats expérimentaux.
5. Analyser l'impact du claquage diélectrique sur l'efficacité du confinement, la montée en pression, la forme du profil temporel du choc et la robustesse du chargement, en fonction des conditions laser (intensité, durée, forme de l'impulsion) et proposer des stratégies d'optimisation du chargement mécanique induit.
6. Publier les résultats de recherche dans des journaux internationaux à comité de lecture et les présenter lors de conférences.

Université / école doctorale

Physique en Île-de-France (EDPIF)

Paris‑Saclay

Site

DAM Île-de-France

Formation recommandée

Dernière année d'école d'ingénieurs ou universitaire (Bac+5), dans un cursus physique avec une dominante mécanique/matériaux ou plasma, avec une appétence pour la simulation numérique, l'expérimental, les mathématiques appliquées et la reche

Disponibilité du poste

01/10/2026

Personne à contacter par le candidat

Lagrée Mathurin
[e-mail]
CEA
DAM/DPEM//DPEM
0169264789

Tuteur / Responsable de thèse

VIDEAU LAURENT
[e-mail]
CEA
DAM/DPEM//DPEM
CEA/DAM Ile de France
Bruyères-le-Châtel
91297 Arpajon Cedex
01.69.26.40.00

En savoir plus

https://www-lmce.cea.fr/
https://www-lmce.cea.fr/plasma_physics/codes/0_esther.html