Microdécharges micro-ondes dans des fibres et des capillaires
Contact : Olivier LEROY
Cette thématique a été initiée lors d’une collaboration entre le LPGP et le XLIM de Limoges en 2009, afin de mettre en synergie nos compétences dans le domaine des plasmas et de la conception de dispositifs d’excitation micro-ondes (2.45 GHz) avec leurs compétences dans le domaine des fibres optiques. L’objectif visé était très ambitieux consistant à créer des micro-plasmas dans des fibres optiques à cœur creux, pour des applications en photonique. Afin d’optimiser le couplage de la puissance au plasma, nous avons conçu, réalisé et testé avec succès un système d’excitation novateur permettant l’utilisation « d’ondes de surface » microondes pour créer un micro-plasma continu (non-impulsionnel). Il a ouvert de nombreuses perspectives dans le domaine de la photonique fibrée.
Forts de nos succès expérimentaux, nous avons poursuivi notre partenariat avec le XLIM, dans le cadre de deux projets ANR/DGA-ASTRID. Le premier type‘émergence’, entre 2011 et 2014, intitulé «UV-Factor» a permis de créer une source compacte et flexible émettant dans l’UV, basée sur la génération d’un microplasma dans une fibre à cœur creux. A partir de 2015, il a été poursuivi avec un projet ‘maturation’ intitulé "Plasma-PMC", achevé en 2018.
D’autres études ont été entreprises sur des microplasmas microondes dans des tubes capillaires (diamètre < 1 mm). La micro-fluidique a été sondée dans le cadre du projet « MicroCAP » soutenu par le Labex LaSIPS (2013-2014). Nous avons montré qu’il est possible de faire varier la densité de gaz neutre, en écoulement, dans le capillaire dans la région de production du plasma. En 2015, ce dispositif a été à l’étude pour le traitement de surface sur la paroi interne des capillaires, dans le cadre du projet « InnoPLAS » soutenu par le Labex PALM.
Une collaboration avec l' EM2C (CentraleSupélec) a a eu lieu dans le cadre du projet « ThermoPLAS » soutenu par le Labex LASIPS (depuis début 2017, avec financement de la thèse de Fabien Coquery soutenue en mars 2021). Ce projet visait à caractériser le plasma et le transfert thermique dans des capillaires afin d’optimiser la production de fortes densités d'espèces actives (par exemple NO dans un plasma d'air).
L’intérêt d’utiliser les microondes pour générer un micro-plasma est multiple :
i) la production d’un plasma en régime continu (donc une réactivité continue, en contraste avec les autre modes d’excitation de micro-plasmas généralement impulsionnels comme par exemple : les DBDs, décharges nanosecondes, RF, …);
ii) l’absence d’électrodes en contact avec le fluide en écoulement (éliminant ainsi les problèmes de vieillissement et de pollution);
iii) son fonctionnement avec de très faibles puissances microondes (typiquement < à quelques dizaines de Watt), tout en injectant des très fortes densités de puissance (~10 kW.cm-3);
iv) un fonctionnement possible sur une très large gamme de pression allant de 10-5 mbar jusqu'à la pression atmosphérique.
v) la création de très fortes densités d'espèces ionisées (électrons et ions), d'espèces actives, et de photons, et par extension la très forte densité de puissance, qui ouvrent la voie à de nombreuses applications potentielles.
Grâce notamment à des simulations électromagnétiques, nous avons conçu et testé avec succès plusieurs types d'excitateurs adaptés aux capillaires et/ou fibres optiques creuses de petits diamètres suivant 2 voies:
- les surfatrons miniatures, avec un exemple sur la photo ci-dessous
- les dispositifs à base de ligne microstrip et/ou stripline, quelques exemples ci-dessous:
