Modélisation de la structuration d'un matériau diélectrique irradié par une impulsion laser femtoseconde

Modeling of the structuration of a dielectric material irradiated by a femtosecond laser pulse

• Auteur / Autrice : Romain Beuton
• Direction : Guillaume Duchateau, Benoît Chimier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, matière et nanosciences
• Date : Soutenance le 16/11/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Audoin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Duchateau, Benoît Chimier, Bertrand Audoin, Tatiana Govorykha Itina, Olivier Utéza, François Courvoisier, Pierre-Henri Maire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tatiana Govorykha Itina, Olivier Utéza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique

Électrons

Matière -- Structure

Élastoplasticité

Simulation par ordinateur

Dépôt d'énergie

Weibull, Loi de

Relaxation, Phénomènes de

Lasers femtoseconde

Rupture

Diélectriques

Mots clés libres

Laser

Structuration de la matière

Processus de relaxation

Dynamique électronique

Fractures

Elasto-plastique

Laser

Matter structuration

Relaxation processes

Electrons dynamics

Cracks

Elasto-plastic

Résumé

Les lasers femtosecondes sont un outil efficace pour induire des modifications structurelles localisées en volume dans les matériaux diélectriques. Initialement transparents, les diélectriques ne commencent à absorber efficacement l’énergie laser que lorsque l’intensité excède le seuil de claquage optique du matériau. Cette propriété, couplée à une durée d’impulsion femtoseconde plus courte que les temps caractéristiques de relaxation de la matière, permet d’obtenir un dépôt d’énergie précis et localisé dans le volume irradié. Pour modéliser la formation de telles structures, un modèle thermo-élasto-plastique en géométrie 2D planaire, incluant la transition solide-liquide via un modèle de ramollissement, a été implémenté dans un code hydrodynamique lagrangien. Des études de la formation d’une cavité et de l’interaction de multiple cavités ont tout d’abord été réalisées en supposant un dépôt instantané d’énergie laser dans le volume d’une cible de silice fondue. La relaxation de la matière chauffée, portée à l’état de plasma dense, induit alors la propagation d’ondes de choc dans le solide froid environnant. Des déformations permanentes peuvent apparaître dans le matériau si la contrainte, induite par ces ondes, excède la limite élastique. Ces premières études ont notamment permis de comprendre et de décrire les différentes étapes de la formation de micro-structures, fortement corrélées au comportement élasto-plastique du solide environnante. De plus, en utilisant une loi de Weibull, tenant compte de la densité de défauts dans la matière, des probabilités de fractures dans le matériau ont été calculées. Dans un second temps, la structuration de la silice fondue par un faisceau de Bessel a été considérée. Un solveur de Maxwell 3D, couplé à une description fluide de la dynamique électronique, a été utilisé pour modéliser le dépôt d’énergie laser. Les résultats ont permis de comprendre comment s’établit le dépôt d’énergie et rendent compte des effets des différents processus d’ionisation sur les évolutions des profils de densité et d’énergie électronique. Des simulations thermo-élasto-plastiques ont ensuite étaient réalisées en utilisant le dépôt d’énergie calculé. Différents types de déformations induites dans la silice ont pu être mis en évidence en fonction de l’énergie et de la durée de l’impulsion incidente, en accord avec les observations expérimentales.

Femtosecond laser pulses are an efficient tool to induce localized structural modifications in the bulk of dielectrics materials. The dielectrics, initially transparent, start to efficiently absorb the energy when the laser intensity exceeds the optical breakdown threshold of the material. This property, coupled to a femtosecond pulse duration smaller than the caracteristic relaxation times of matter, allows to induce a localized and accurate energy deposition in the irradiated volume. In order to model the formation of such structures, a 2D thermo-elasto-plastic model, including solid-liquid transitions through a softening model, has been implemented in a lagrangian hydrodynamic code. Studies on the formation of a single cavity and several interacting cavities have been firstly performed, assuming an instantaneous energy deposition in the bulk of fused silica. The relaxation of the heated matter, transformed to a warm dense plasma, induces shock waves in the surrounding cold solid. Permanent deformations may appear if the stress, induced by the waves, exceeds the yield strength of the material. This first study allowed to understand and describe the various steps of the micro-structures formation, which are strongly correlated to the elasto-plastic behavior of the surrounding solid. Furthermore, by using a Weibull’s law, accounting for defects density in the material, cracks probabilities have been predicted. Secondly, the structuration of fused silica by a Bessel beam has been considered. For that purpose, a 3D Maxwell solver coupled to a fluid description of the electron dynamics has been used to model the laser energy deposition. Results allow to understand how the energy deposition establishes and show the effects of the different ionization processes on the electron density and energy profiles. Then, thermo-elasto-plastic simulations have been carried out including the calculated energy deposition. Various kinds of induced deformations in fused silica have been obtained depending on the incident pulse energy and duration, which is in agreement with experimental observations.