Les plasmas produits par interaction laser-matière font l’objet d’études depuis la découverte du laser. D’abord, les « claquages optiques » dans les gaz ont été investigués pour comprendre les mécanismes de génération et de chauffage des électrons par effet de bremsstrahlung inverse et par ionisation multiphotonique. Il s’ensuivit l’étude des plasmas générés par l’interaction laser-matériau dont le seuil de claquage est réduit grâce aux électrons thermiques de la matière vaporisée. La diversification des sources laser en longueur d’onde et en durée d’impulsion a conduit rapidement à la multiplication des études et des applications. Les principales étapes dans cette évolution ont été marquées par la mise en oeuvre de sources laser déclenchées fiables au cours des années 1980 (laser Nd:YAG et laser à excimères délivrant des impulsions nanosecondes), suivies par des lasers à blocage de modes qui sont commercialisés depuis la fin des années 1990 (laser titane saphir délivrant des impulsions subpicosecondes). L’évolution se poursuit aujourd’hui avec l’apparition récente de sources laser compactes, caractérisées par des qualités de faisceau et des stabilités en énergie inégalées (lasers à diode et lasers fibrés).

La première étape dans la génération d’un plasma par irradiation laser consiste à déposer l’énergie. Pour les matériaux solides, l’absorption du rayonnement laser dépend de la densité d’électrons libres et on peut distinguer les métaux des semi-conducteurs et des diélectriques. Les matériaux diélectriques sont globalement transparents, et l’absorption linéaire est limitée aux défauts présents sur la surface ou dans le volume. Cependant, l’intensité élevée associée aux impulsions laser ultrabrèves (appelées par la suite impulsions femtosecondes) permet d’accéder au régime d’absorption non-linéaire, où l’ionisation par effet tunnel ou par absorption multiphotonique devient possible. Ce régime est aujourd’hui exploité pour générer des plasmas dans le volume focal du faisceau laser à l’intérieur des matériaux solides transparents, en vue de développer des futures mémoires tridimensionnelles. Les sources laser femtosecondes ont également attiré l’attention en raison de la réduction des effets thermiques au cours de l’interaction laser-matériau. Ce phénomène est exploité dans la nanostructuration des surfaces, et dans le micro-usinage et la micro-analyse des matériaux.

En dehors de l’accès au régime d’absorption non-linéaire et de la réduction des effets thermiques, l’interaction laser-matière en régime femtoseconde se distingue de l’interaction en régime nanoseconde par le caractère isochore du chauffage de la matière. En effet, en raison de la durée d’impulsion inférieure au temps de thermalisation électron-ion, les ions restent froids au cours de l’interaction, et l’énergie de l’impulsion laser femtoseconde est déposée dans le système électronique avant que le plasma commence à s’expandre. En revanche, l’impulsion laser nanoseconde interagit avec le plasma en expansion en raison de sa durée supérieure au temps de thermalisation électron-ion. Le chauffage du plasma au cours de l’expansion change les propriétés du plasma et conduit notamment à des taux d’atomisation et d’excitation plus élevés qui sont exploités lors de l’analyse des matériaux par spectroscopie du plasma induit par laser (technique connue sous l’acronyme LIBS). Il a été récemment démontré que l’irradiation des matériaux par impulsion laser nanoseconde pouvait générer un plasma spatialement uniforme et en équilibre thermodynamique local, deux propriétés difficiles à trouver en même temps. Pour les plasmas d’ablation laser immergés dans un liquide, la durée de l’impulsion laser conditionne le trajet thermodynamique de la matière à l’origine de la synthèse de nanoparticules, influençant ainsi leur distribution en taille.