Etude des phénomènes d'absorption laser en régime femtoseconde pour l'ablation de matériaux diélectriques

par Maxime Lebugle

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière

Sous la direction de Olivier Utéza.

Le président du jury était Arnaud Couairon.

Le jury était composé de Yves Bellouard, Benoit Chimier, Nicolas Sanner.

Les rapporteurs étaient Francois Courvoisier, Philippe Martin.


  • Résumé

    Le micro-usinage de matériaux transparents est aujourd’hui un sujet d’intérêt mondial en recherche appliquée. L’emploi de lasers femtoseconde permet la micro-fabrication de composants optiques et de verres intelligents, ou la réalisation de cellules photovoltaïques. Dans ce contexte, cette thèse expérimentale se concentre sur l’absorption laser résolue en temps et en espace à la surface de matériaux diélectriques irradiés (silice fondue et saphir). Des impulsions femtoseconde (30 − 450 fs) dans l’infrarouge sont utilisées pour étudier l’efficacité de couplage de l’énergie laser pour l’ablation de matériaux dans un régime d’intensité intermédiaire (1-100 TW/cm²) lors de deux expériences. Un schéma pompe-sonde détermine la dynamique du plasma électrontrou à l’échelle femtoseconde et une expérience de déplétion laser mesure l’énergie absorbée. Une étude morphologique du matériau est réalisée, évaluant les seuils d’endommagement et d’ablation ainsi que les morphologies d’ablation. Nous établissons ensuite un bilan d’énergie de l’absorption laser responsable de l’enlèvement de matière. Les densités d’énergie typiques atteintes sont évaluées expérimentalement et confrontées à une modélisation avec propagation. Un excès de dépôt d’énergie par rapport à l’énergie de liaison du matériau au repos est mis en évidence, suggérant qu’un important chauffage du gaz d’électrons libres a lieu. Nous réalisons enfin une interprétation des données avec un regard technologique. Des guides à la réalisation de microsystèmes en régime d’ablation laser femtoseconde sont proposés, et démontrent l’intérêt d’impulsions sous 100 fs pour un procédé photonique.

  • Titre traduit

    Femtosecond laser pulse absorption in dielectric materials for ablation


  • Résumé

    This thesis concerns femtosecond laser absorption in dielectrics in the context of micromachining processes of glass materials. Prospected applications of this technology are optical component micro-fabrication, smart glass manufacturing, or photovoltaic cell patterning. In this context, we focus on the characterization in time and space of the absorption mechanisms occurring at the surface of irradiated dielectric materials (fused silica and sapphire). Using near-IR ultrashort pulses (30 − 450 fs) laser energy coupling efficiency for material ablation is studied at mid-intensities (1-100 TW/cm²) through two experiments. A pump-probe scheme determines the electron-hole plasma dynamics at femtosecond timescale and a laser depletion experiment measures the material absorption. A morphological study of the samples is performed, evaluating the damage and ablation thresholds as well as ablation morphologies. We then establish an energy balance of laser absorption responsible of matter removal. Typical energy densities reached are estimated through experiments and confronted to a propagative model. It is shown that the amount of absorbed energy is far above the bonding energy of the material at rest, suggesting that the major part of the absorbed energy is spent to heat the free electron gas. Finally, we propose a technological analysis of the experimental data. The interest of sub-100 fs laser pulses for photonic processes is evidenced, however at the cost of additional complexity. It provides guidelines for efficient direct laser ablation, making the results relevant for femtosecond processes.


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  • Détails : 1 vol. (175p.)
  • Annexes : bibliogr. p. 165

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