Study of the physical mechanisms involved in the femtosecond laser optical breakdown of dielectric materials

par Alexandros Mouskeftaras

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Guizard.

Soutenue en 2013

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Etude des mécanismes physiques de claquage optique de matériaux diélectriques par laser femtoseconde


  • Résumé

    Nous étudions de façon expérimentale les mécanismes d'excitation et de relaxation électroniques, sous irradiation par impulsion laser (UV et IR) ultracourte (60 fs - 1 ps), dans les matériaux diélectriques à large bande interdite. Les régimes explorés vont de l'ionisation sans modification permanente (quelques TW/cm²) jusqu'au régime ablatif (dizaines de TW/cm²). L'objectif de ce travail à caractère fondamental est la compréhension du processus d'endommagement laser dans nos conditions d'irradiation. D'abord, la connaissance de la densité électronique du matériau irradié aux différents stades d'excitation permet la quantification de cette interaction. La technique d'interférométrie résolue en temps est utilisée pour mesurer de façon directe cette quantité d'excitation. Cette mesure, effectuée au seuil de claquage pour différentes durées d'impulsion remet en question l'utilisation de densité d'excitation critique comme critère universel d'endommagement. Un nouveau critère, lié à l'énergie échangée est proposé. D'autre part, l'utilisation d'un schéma expérimental à deux impulsions " pompes " a permis la distinction des mécanismes d'excitation intervenant à l'échelle temporelle de l'ordre de la durée des impulsions utilisées. Nos résultats indiquent des comportements différents selon les matériaux utilisés. L'existence d'une avalanche électronique est observée dans certains matériaux (SiO2, NaCl) alors que ceci n'est pas le cas pour d'autres (Al2O3, MgO). Ces différences seront discutées en détail. Ensuite, nous mesurons le spectre en énergie des électrons excités par une technique complémentaire : la spectroscopie de photoémission. Ces résultats ont permis d'une part de montrer l'existence d'un effet croisé entre deux impulsions " pompes " qui se traduit par une augmentation de l'énergie des photoélectrons et d'autre part la mesure des temps caractéristiques de relaxation des électrons selon leur énergie cinétique. Enfin, une étude morphologique des cratères résultants de l'ablation a été effectuée et ce pour différents paramètres d'irradiation avec une seule impulsion (nombre de tirs, énergie et durée de l'impulsion) ainsi que pour le cas de l'association de deux impulsions en fonction de leur délai.


  • Résumé

    We have carried out detailed time resolved experimental studies of the mechanism of electron excitation-relaxation, when an ultrashort (60 fs -1 ps) laser (UV and IR) pulse interacts with a wide band gap dielectric material. The studies cover a range of different dielectric materials and the investigated regimes span from nondestructive ionization of the material at the low power end (~TW/cm²) to ablative domain at a higher laser power (~10 TW/cm²). This gives fundamental insight into the understanding of the laser damaging process taking place under our irradiation conditions. The usage of time-resolved spectral interferometry technique allows to directlymeasurethe electron density of the irradiated material under different excitation conditions and hence leads to quantification of the process. The measurements, carried out at the optical breakdown threshold utilizing different pulse durations, raisequestions regarding the usage of critical excitation density as a universal ablation criterion. A new criterion related to the exchanged energy is proposed. Additionally, the use of an experimental setup implementing a double pump pulse allows the identification of different excitation mechanisms taking place at time scales of the order of the pulse duration used. Electronic avalanche is observed in some materials (SiO2,NaCl) while this is not the case for others (Al2O3,MgO). These differences are discussed in detail. Next, we measure the energy spectrum of excited electrons with a complementary technique: the photoemission spectroscopy. These results allow us on one hand to show a crossed effect between the two "pump" pulses and on the other hand to measure electron relaxation characteristic times, as a function of their kinetic energy. Finally, a morphological study of craters resulting from ablation in the case of a single pulse has been carried out for different irradiation parameters: number of shots, energy and pulse duration. This work has been extended to the case of double pulsedamage, with the relative delay being the studied parameter.

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  • Détails : 1 vol. (182 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 105 réf.

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