Le code ESTHER (EffetS Thermo-mécaniques et Hydrodynamiques Engendrés par un Rayonnement) est un code d’hydrodynamique radiative, lagrangien, unidimensionnel et open-source, développé depuis 2004 au CEA [1,2]. Il permet l’étude de l’évolution d’un empilement de milieux variés (métaux, diélectriques), passant de la phase solide à la phase plasma, sous l’effet d’une irradiation intense et impulsionnelle. Cette impulsion peut être un laser, du rayonnement X, des électrons, des ions ou une combinaison de ces derniers. Le code simule les dépôts d’énergie issus de ces impulsions, l’évolution hydrodynamique des matériaux fluides ou solides, la conduction thermique, le transfert radiatif, la réponse mécanique des matériaux, et bien d’autres mécanismes.
Le logiciel est utilisé pour un très large spectre d’applications, dans des régimes de fonctionnement et pour des équipements expérimentaux très différents :
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régime ‘froid’, pour l’étude de chocs induits par laser (endommagement mécanique, plasticité), pour des impulsions de l’ordre de la nanoseconde et des intensités modérées ($I < 10^{12}\, \mathrm{W/cm^2}$) ;
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régime ‘WDM’ (Warm-Dense-Matter), pour la simulation de la dynamique d’un milieu passant de la phase solide à la phase plasma, en régime femtoseconde ou nanoseconde;
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régime plasma/‘chaud’, pour l’étude des systèmes soumis à des lasers d’intensité élevé qui nécessitent la prise en compte des effets de rayonnement pour simuler l’évolution des plasmas.
ESTHER est un code en développement permanent: de nouvelles fonctionnalités ou modèles sont régulièrement implémentées, et depuis 2023, des travaux de modernisation sont en cours pour améliorer sa robustesse et son ergonomie d’utilisation et de développement. Enfin, depuis l’été 2024, ESTHER est disponible en open-source sur Gitlab. (sous condition d’invitation, contact: mathurin.lagree@cea.fr ou ludovic.lecherbourg@cea.fr)
![Gauche: illustration de l’utilisation d’ESTHER dans le régime ‘froid’. [A] Images consécutives de l’écaillage d’un échantillon d’aluminium suite à un choc laser. [B] Profil spatial de contrainte dans l’échantillon d’aluminium, simulé avec ESTHER, à l’instant où, par contrainte de traction, le matériau se rompt et une écaille est formée. [C] Profil de vitesse de face arrière expérimental (rouge) et simulé (bleu) de l’échantillon d’aluminium. Une flèche indique le temps pour lequel l’écaille est créée. Droite: illustration de l’utilisation d’ESTHER dans le régime ‘WDM’: étude de la réponse de l’or et de ses phases solides fcc et bcc suite à l’irradiation par rayonnement X au LCLS (Linac Coherent Light Source), et comparaison avec ESTHER (traits pleins) [D] fraction massique des deux phases [E] et densité massique totale en fonction du temps.](https://www-lmce.cea.fr/LMCE/images/plasma_physics/figure_esther.png)
Figure : Cas de simulations d'ESTHER dans des régimes 'froid' et 'WDM'
Gauche: illustration de l’utilisation d’ESTHER dans le régime ‘froid’. [A] Images consécutives de l’écaillage d’un échantillon d’aluminium suite à un choc laser. [B] Profil spatial de contrainte dans l’échantillon d’aluminium, simulé avec ESTHER, à l’instant où, par contrainte de traction, le matériau se rompt et une écaille est formée. [C] Profil de vitesse de face arrière expérimental (rouge) et simulé (bleu) de l’échantillon d’aluminium. Une flèche indique le temps pour lequel l’écaille est créée. Droite: illustration de l’utilisation d’ESTHER dans le régime ‘WDM’: étude de la réponse de l’or et de ses phases solides fcc et bcc suite à l’irradiation par rayonnement X au LCLS (Linac Coherent Light Source), et comparaison avec ESTHER (traits pleins) [D] fraction massique des deux phases [E] et densité massique totale en fonction du temps.
Publications
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J.P. Colombier, P. Combis, F. Bonneau, R. Le Harzic, E. Audouard, “Hydrodynamic simulations of metal ablation by femtosecond laser irradiation,” Phys. Rev. B 71, 165406 (2005) DOI
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S. Bardy, B. Aubert, T. Bergara, L. Berthe, P. Combis, D. Hébert, E. Lescoute, Y. Rouchausse L. Videau, “Development of a numerical code for laser-induced shock waves applications,” Optics & Laser Technology 124, 105983 (2020) DOI