Théorie du claquage de l'argon sous l'effet du rayonnement d'un laser

Abstract
A theory of the spark which is produced when a laser beam is concentrated in a small volume, in a cell containing argon at a pressure P a, is developed. There are several theories which attempt to explain the phenomenon of breakdown, based upon the different microscopical mechanisms of ionization. We attempt to give a theoretical explanation of the results obtained by Minck [1] for argon, which give the threshold power of the laser necessary to produce breakdown, as a function of the pressure Pa. The fundamental hypothesis of this work consists in admitting that when a beam of intense coherent light is concentrated in a small volume, the results of the interaction of the radiation with the gas can be macroscopically described by means of a model analogous to that used for the study of stars in local thermodynamical equilibrium. As the spark starts after 9 ns after focusing of the laser [7], while the life of the latter being of 30 ns, we suppose that the energy of the laser concentrated in the spark, is completely disordered after 9 ns, and that consequently the spark radiates as a nearly black body. From these assumptions, and using the equilibrium equations for a gaseous star, withdrawing terms corresponding to gravitational effects, we find the distribution of temperatures within the spark. By establishing a complementary hypothesis for the breakdown condition, we détermine the threshold laser power as a function of pressure. By comparing theoretical results with those obtained experimentally by Minck [1] (Table 1), we find that our theory explains the expérimental data with an acceptable approximation.

Résumé
On développe une théorie phénoménologique de l'étincelle qui se produit lorsqu'un faisceau laser est concentré sur un volume de petites dimensions dans une cellule qui contient de l'argon à une pression Pa. Diverses théories essayent d'expliquer le phénomène de rupture, en se basant sur les différents mécanismes microscopiques de l'ionisation. On essaye de donner une explication théorique des résultats obtenus par Minck [1] pour l'argon, qui donnent les puissances de seuil ou limite du laser nécessaires pour produire la rupture, en fonction de la pression Pa. L'hypothèse fondamentale de ce travail consiste à admettre que lorsqu'un faisceau de lumière cohérente et intense est concentré sur un volume de petites dimensions, afin d'obtenir de grands champs électriques, les résultats de l'interaction de la radiation avec le gaz peuvent être décrits macroscopiquement, moyennant un modèle analogue à celui utilisé pour l'étude des étoiles en équilibre thermodynamique local. Comme l'étincelle s'allume au bout de 9 ns après avoir concentré le laser [7], la durée de l'impulsion étant de 30 ns, nous supposons que toute l'énergie du laser est, au bout de 9 ns, totalement désordonnée, et que par conséquent l'étincelle rayonne comme un corps presque noir. Partant de ces suppositions, et utilisant les équations d'équilibre pour une étoile gazeuse, dans lesquelles on ne tient pas compte des effets de gravitation, nous trouvons la distribution de la température à l'intérieur de l'étincelle. En établissant une hypothèse complémentaire pour la condition de rupture, on détermine quelle est la puissance limite du laser en fonction de la pression. La comparaison des résultats théoriques avec ceux obtenus expérimentalement par Minck [1] (tableau I) montre que ces résultats s'accordent avec une approximation suffisante.