Numerical study of ultrashort laser-induced periodic nanostructure formation in dielectric materials

par Anton Rudenko

Thèse de doctorat en Optique, Photonique, Hyperfréquences

Sous la direction de Tatiana Govorykha Itina.

Soutenue le 11-07-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (équipe de recherche) , Université Jean Monnet (Saint-Étienne) (Etablissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (laboratoire) .

Le président du jury était Razvan Stoian.

Le jury était composé de Tatiana Govorykha Itina, Ludovic Hallo, Marc Sentis, Jean-Philippe Colombier, Jörn Bonse, Stefan Skupin.

Les rapporteurs étaient Ludovic Hallo, Marc Sentis.

  • Titre traduit

    Étude numérique de la formation des nanostructures périodiques induites par laser ultrabref dans les matériaux diélectriques


  • Résumé

    Cette thèse se concentre sur l'étude numérique de l'interaction laser ultrabref avec les diélectriques transparents. En particulier, le phénomène d'auto-organisation des nanoréseaux dans la silice est discuté et un modèle multiphysique est proposé pour expliquer le mécanisme de leur formation. Les nanoréseaux en volume sont des nanostructures périodiques de périodicité sub-longueur d'onde, qui consistent en un matériau moins dense et sont générés par une irradiation laser multi-impulsionnelle femtoseconde dans certains verres, cristaux et semiconducteurs. Leur origine physique ainsi que les conditions d'irradiation laser pour leur formation et leur effacement sont investiguées dans ce travail théorique. Pour simuler la propagation nonlinéaire dans les verres, les équations de Maxwell sont couplées avec l'équation d'évolution de la densité électronique. Il est démontré que les nanoplasmas périodiques 3D sont formés pendant l'interaction laser ultrabref avec les inhomogénéités de la silice fondue. Les nanopores induits par laser sont supposés jouer le rôle de centres inhomogènes de diffusion. La périodicité sub-longueur d'onde et l'orientation des nanoplasmas dépendante de la polarisation, révélées dans cette thèse, font d'eux un excellent candidat pour expliquer la formation des nanoréseaux en volume. En plus, il est demontré que les nano-ripples sur la surface de silice fondue et les nanoréseaux en volume ont des mécanismes de formation similaires. Pour justifier la présence de nanopores dans la silice fondue irradiée par laser, les processus de décomposition du verre sont étudiés. Premièrement, les profils de température sont calculés sur la base d'un modèle électron-ion. Ensuite, à partir des températures calculées, des critères de cavitation et de nucléation dans le verre ainsi que des équations hydrodynamiques de Rayleigh-Plesset, les conditions pour la formation des nanopores et la survie des nanoréseaux en volume sont élucidées. Pour établir les dépendances des paramètres du laser de formation et d'effacement des nanoréseaux en volume, l'approche multiphysique est développée comprenant la propagation du laser ultrabref dans le verre, les processus d'excitation/relaxation électroniques et le modèle à deux températures. Les résultats numériques fournissent les paramètres du laser en fonction de l'énergie de l'impulsion, sa durée et le taux de répétition pour induire des nanoréseaux en volume, en bon accord avec les expériences nombreuses et indépendantes de la littérature. Le travail réalisé a non seulement permis de déterminer les mécanismes de formation des nanostructures périodiques mais améliore également notre connaissance du contrôle optimal des paramètres du laser sur la réponse ultrarapide d matériau, en ouvrant des nouvelles opportunités de traitement des diélectriques par laser ultrabref


  • Résumé

    This thesis is focused on the numerical modeling of ultrashort laser interaction with transparent dielectrics. More particularly, the phenomenon of self-organized volume nanogratings in fused silica bulk is discussed and a multiphysical model is proposed to explain the mechanism of their formation. Volume nanogratings are sub-wavelength periodic nanostructures, consisting of less dense material, which are commonly induced by multipulse femtosecond laser irradiation in some glasses, crystals and indirect semiconductors. Their physical origin as well as the laser irradiation conditions for theirformation and erasure are investigated in this theoretical work. To model the nonlinear propagation inside glass, Maxwell's equations are coupled with rate equation. It is shown that three-dimensional periodic nanoplasmas are formed during ultrashort laser interaction with fused silica inhomogeneities. Laser-induced nanopores are proposed to play the role of inhomogeneous scattering centers. Subwavelength periodicity and polarization dependent orientation of the nanoplasmas, revealed in this thesis, make them a strong candidate for explaining volume nanogratings formation. Additionally, it is demonstrated that the nanoripples on fused silica surface and volume nanogratings have similar formation mechanisms. To justify the presence of nanopores in laser-irradiated fused silica bulk, glass decomposition processes are investigated. Firstly, the temperature profiles are found by incorporating the electron-ion temperature model. Then, based on the calculated temperatures, criteria for cavitation and nucleation in glass and also hydrodynamic Rayleigh-Plesset equation, the conditions for nanopores formation and for volume nanogratings survival are elucidated. To define the laser parameter dependencies on the volume nanogratings formation/erasure, a selfconsistent multiphysical approach is developed including ultrafast laser propagation in glass, multiple rate equation to take into account excitation/relaxation processes and two-temperature model. The numerical results provide a laser parameter window as a function of laser pulse energy, laser pulse duration and repetition rate for volume nanogratings consistent with numerous independent experiments. The performed work not only provides new insights into the formation mechanisms of periodic nanostructures but also improves our knowledge of the optimal laser parameter control over ultrafast material response, opening new opportunities in ultrashort laser processing of dielectrics


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