Mise en forme spatiale et temporelle d'impulsions ultrabrèves pour l'ablation et la transformation de matériaux par laser

Spatial and temporal pulse shaping for ultrafast laser materials processing

• Auteur / Autrice : Valeria Belloni
• Direction : François Courvoisier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : site de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : John Michael Dudley
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Inka Manek-Hönninger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Bellouard, Razvan Stoian
• DOI : 10.70675/3213073cz9c74z4fe1zaf3fz0f58fb206421

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

GHz régime

Ablation

Faisceaux de Bessel

Laser femtoseconde

GHz regime

Ablation

Bessel beam

Femtosecond laser

Résumé

Le traitement par laser ultrarapide a suscité un grand intérêt dans les applications industrielles en raison de sa capacité à réaliser une ablation précise et de haute qualité dans les matériaux. Cependant, les contraintes liées aux lasers, telles que l'énergie des impulsions et les taux de répétition, ont limité son développement, en particulier dans les environnements industriels.Dans ce cadre, la personnalisation des profils spatiaux et temporels des faisceaux laser peut améliorer l'interaction entre le laser et le matériau. Les techniques de mise en forme des faisceaux jouent un rôle crucial dans l'optimisation des performances du traitement des matériaux par laser ultrarapide et permettent d'atteindre des régimes jusqu'alors inaccessibles. Parallèlement, les lasers ultrarapides fonctionnant à des taux de répétition de l'ordre du gigahertz délivrent un nombre d'impulsions par unité de temps nettement plus élevé que les sources laser conventionnelles. La division d'une impulsion en plusieurs sous-impulsions avec un taux de répétition élevé semble être une méthode efficace pour augmenter le taux d'ablation dans le traitement laser.Cette thèse explore la possibilité d'utiliser des systèmes laser ultrarapides avec des taux de répétition de l'ordre du gigahertz, ainsi que des techniques avancées de mise en forme du faisceau pour améliorer le traitement laser ultrarapide. Le faisceau de Bessel est particulièrement utile dans le traitement des matériaux transparents grâce à sa robustesse aux distorsions non linéaires. Un faisceau de Bessel d'ordre élevé est utilisé dans cette thèse pour générer, pour la première fois, des nano piliers positifs avec une seule impulsion laser sur une surface de saphir. En outre, un nouveau système optique de génération de faisceaux de Bessel hautement focalisés a été développé pour étudier de nouvelles possibilités dans le traitement du silicium. Enfin, une source laser de fréquence de répétition allant jusqu’à 15 GHz, a été utilisée pour traiter le silicium. Des résultats prometteurs ont été obtenus en utilisant ce taux de répétition très élevé à la fois avec un faisceau gaussien et avec une mise en forme de faisceau en profil carré.

Ultrafast laser processing has gained significant attention in industrial applications due to its ability to achieve precise and high-quality material ablation. However, laser constraints such as pulse energy and repetition rates have limited the throughput of ultrafast laser processes, especially in industrial settings.In this framework, customizing the spatial and temporal profiles of laser beams can enhance the interaction between the laser and the material. Beam shaping techniques play a crucial role in optimizing the performance of ultrafast laser materials processing and reaching previously inaccessible regimes. In parallel, ultrafast lasers operating at GHz repetition rates deliver a significantly higher number of pulses per unit of time compared to conventional laser sources. Splitting a single pulse into several sub-pulses with high repetition rate seems to be an effective method to increase the ablation rate in laser processing.This thesis explores the possibility of ultrafast laser systems with GHz repetition rates and advanced beam shaping techniques to improve ultrafast laser processing. The Bessel beam is particularly beneficial in processing transparent materials thanks to its robustness to non-linear distortions. A high-order Bessel beam is used in this thesis to generate, for the first time, positive nanopillars with a single laser pulse across the surface of sapphire. In addition, a new setup for highly focused Bessel beams has been developed to investigate new opportunities in silicon processing. Finally, a GHz repetition laser source, in a new regime up to 15 GHz, has been used to process silicon. Promising results were obtained with this very high repetition rate with a Gaussian beam and top-hat beam shaping.