Génération et détection d'ondes acoustiques transverses picosecondes : théories et expériences

par Thomas Pézeril

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Vitali Gusev.

Soutenue en 2005

à Le Mans .


  • Résumé

    L'acoustique picoseconde est basée sur une technique pompe-sonde optique nécessitant l'emploi d'un laser pulsé subpicoseconde permettant la génération et la détection d'impulsions acoustiques ultrabrèves. L'onde acoustique picoseconde générée est par nature longitudinale lorsque le transducteur opto-acoustique est isotrope. Ainsi, jusqu'à présent, dans la plupart des cas, seul le mode acoustique longitudinal a pu être employé au diagnostic mécanique de structures submicroniques. La mise en oeuvre d'une source acoustique picoseconde d'ondes transverses ouvrirait la voie à de nouvelles perspectives expérimentales. Dans ce travail de thèse, la génération d'ondes acoustiques transverses picosecondes par le mécanisme de génération thermoélastique est envisagée analytiquement et exploitée expérimentalement à partir de transducteurs opto-acoustiques anisotropes, le cas échéant, des substrats métalliques désorientés. La problématique concerne tant la génération thermoélastique que la détection élasto-optique des ondes acoustiques transverses picosecondes. En premier lieu, la théorie de la génération thermoélastique dans des matériaux anisotropes est présentée afin de caractériser la potentialité de la génération thermoélastique et de concevoir les mécanismes propres à la génération des ondes transverses. Puis la théorie de la détection élasto-optique est exposée afin d'étayer l'opportunité d'utilisation du substrat métallique anisotrope en tant que capteur d'ondes transverses picosecondes. Le rôle bivalent du substrat en tant que transducteur et capteur d'ondes transverses picosecondes est opportun. En second lieu, les expériences picosecondes réalisées avec des substrats monocristallins de zinc désorientés sont présentées et interprétées grâce aux prédictions théoriques. Les expériences attestent de l'efficacité de la génération in situ des ondes acoustiques transverses picosecondes et de la génération par réflexion-conversion de modes des ondes acoustiques longitudinales picosecondes. Les simulations numériques concernant les résultats expérimentaux permettent la mesure des coefficients photo-élastiques du zinc. Enfin, l'extrapolation à des substrats polycristallins métalliques permet de démontrer l'efficacité de la génération thermoélastique à partir de cristallites non texturés (001).

  • Titre traduit

    Generation and detection of picosecond shear acoustic waves : theory and experiments


  • Résumé

    Picosecond laser ultrasonics applies opto-acoustic and acousto-optic transformations for the excitation and detection, respectively, of the hypersonic pulses with the duration shorter than hundreds of picoseconds, which are commonly applied for the non-destructive testing of the nanostructures. Starting the pioneering experiments for more than 20 years most of the research has been conducted with longitudinal acoustic mode only. The excitation of quasi-plane acoustic waves is controlled by focusing the femtosecond pump laser pulse on the front surface of the sample to the spot with the diameter significantly exceeding both the depth of the substrate heated region of the material and the distance of sound propagation during the pulsed laser action. Due to this, the diffraction length of the acoustic pulses generated significantly exceeds the characteristic spatial scales involved in echo monitoring of the nanostructures. Unfortunately the layers of the nanostructures are usually elastically isotropic (microcrystalline) or anisotropic (monocrystalline) but with symmetry axis orientation along the normal to the layers. This prevents by symmetry principles excitation of plane shear acoustic waves. The shear mode generation in picosecond ultrasonics is of fundamental issue. One of clear perspectives in the application of coherent shear hypersound is the diagnostics of solid-solid and solid-liquid interfaces and Kapitza resistance by shear phonons. In this thesis, the thermoelastic generation of shear picosecond acoustic waves is analytically treated and experimentally investigated in the case of anisotropic opto-acoustic transducers made of metallic substrate cut off-axis of symmetry. The problematic concerned the thermoelastic generation and the acousto-optic detection of the picosecond shear acoustic waves. First, the thermoelastic generation theory in anisotropic materials is developed to characterize the efficiency of generation and to fully understand the physical processes. That merged on the description of a new volumetric but non-local mechanism of plane shear waves excitation through thermoelasticity which is operative even in crystals with isotropic thermal expansion (in cubic crystals). The theory of the acousto-optic detection in such anisotropic material is also developed. The using of the metallic substrate as a transducer and sensor of picosecond shear acoustic pulses is opportune. Second, the picosecond acoustic experiments are realized with monocristallines substrates of zinc cut off-axis of symmetry. Thanks to the theoretical predictions, the signals can be interpreted and analyzed. Experimentally, the efficiency of the thermoelastic generation is proved. The full numerical computation of the reflectivity signals gave a set of the zinc photoelastic coefficients. Finally, the extension to a zinc polycristalline sample, natively without grain preferenced orientation (001), also proved to be efficient.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (234 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 219-224

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  • Bibliothèque : Université du Maine. Service commun de documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2005LEMA1001
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