Space-time study of energy deposition with intense infrared laser pulses for controlled modification inside silicon

par Margaux Chanal

Thèse de doctorat en Optique, Photonique et Traitement d'Image

Sous la direction de Olivier Utéza et de David Grojo.

Le président du jury était Hugues Giovannini.

Le jury était composé de Stefan Nolte, Andrei Rode.

Les rapporteurs étaient Nadezhda Bulgakova, Inka Manek-Hönninger.

  • Titre traduit

    Analyse spatio-temporelle du dépôt d'énergie par laser infrarouge intense pour la modification contrôlée du silicium


  • Résumé

    La modification du silicium dans son volume est possible aujourd’hui avec des lasers infrarouges nanosecondes. Néanmoins, le régime d’intérêt pour la modification contrôlée en volume des matériaux transparents correspond aux impulsions femtosecondes. Cependant, aujourd’hui aucune démonstration de modification permanente du volume du Si n’a été réalisée avec une impulsion ultra-brève (100 fs). Pour infirmer ce résultat, nous avons développé des méthodes de microscopie infrarouge ultra-rapides. Tout d’abord, nous étudions le microplasma confiné dans le volume, caractérisé par la génération de porteurs libres par ionisation nonlinéaire du silicium, suivie de la relaxation totale du matériau. Ces observations, couplées à la reconstruction de la propagation du faisceau dans le matériau, démontrent un dépôt d’énergie d’amplitude fortement limitée par des effets nonlinéaires d’absorption et de propagation. Cette analyse a été confirmée par un modèle numérique simulant la propagation nonlinéaire du faisceau femtoseconde. La compréhension de cette limitation a permis de développer de nouvelles configurations expérimentales grâce auxquelles l’endommagement local et permanent du volume du silicium a pu être initié en régime d’impulsions courtes.


  • Résumé

    The modification of bulk-silicon is realized today with infrared nanosecond lasers. However, the interest regime for controlled modifications inside transparent materials is femtosecond pulses. Today, there is no demonstration of a permanent modification in bulk-Si with ultra-short laser pulses (100 fs). To increase our knowledge on the interaction between femtosecond lasers and silicon, we have developedultra-fast infrared microscopy experiments. First, we characterize the microplasma confined inside the bulk, being the generation of free-carriers under nonlinear ionization processes, followed by the complete relaxation of the material. These results, combined with the reconstruction of the beam propagation inside silicon, demonstrate that the energy deposition is strongly limited by nonlinear absorption andpropagation effects. This analysis has been confirmed by a numerical model simulating the nonlinear propagation of the femtosecond pulse. The understanding of this clamping has allowed us the development of new experimental arrangements, leading to the modification of the bulk of Si with short pulses.


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