Ablation laser en régime ultracourt de cibles diélectriques et métalliques

Ablation of dielectrics and metals with ultrashort laser pulses

• Auteur / Autrice : Thibault Genieys
• Direction : Olivier Utéza, Marc Sentis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d'Image
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lasers, plasmas et procédés photoniques (LP3) (Marseille) - France. Délégation générale pour l'armement
• Jury : Président / Présidente : Inka Manek-Hönninger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Hüller, Philippe Adam, Jean-Yves Natoli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Phlippe Colombier, Laurent Lamaignère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ablation (aérothermodynamique)

Spectroscopie d'absorption

Diélectriques

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Impulsions ultracourtes

Ablation

Absorption

Métaux

Diélectriques

Ultrashort pulses

Ablation

Absorption

Metals

Dielectrics

Résumé

Les lasers délivrant des impulsions de quelques cycles optiques sont un outil de choix pour l’étude de l’interaction laser-matière, que ce soit dans la recherche fondamentale ou dans les applications industrielles (usinage). Dans ce contexte, nous étudions l’ablation laser en surface de métaux (aluminium, cuivre, nickel et tungstène) et de matériaux diélectriques (silice fondue et saphir) par des impulsions allant de 15 à 100 femtosecondes, en régime de flux modéré. L’évolution du seuil d’ablation en régime mono-tir est mesurée pour l’ensemble des matériaux en fonction de la durée d’impulsion. Nous effectuons ensuite une expérience de bilan d’énergie sur une large gamme de fluence, donnant accès à l’évolution des fractions d’énergie réfléchies, transmises et absorbées. Dans les métaux, à faible excitation, la comparaison des résultats expérimentaux à des modèles (Drude-Lorentz, modèle à deux températures) met en évidence l’importance de considérer la densité d’états électroniques. Les collisions inter-bandes sont prises en compte avec le modèle de Drude-Lorentz, et la population électronique non-thermalisée est incluse dans le calcul de la fréquence de collision (pour Cu et Ni). Nous montrons qu’à forte excitation le modèle de Drude est applicable à l’ensemble des métaux. La mesure de bilan d’énergie effectuée sur les matériaux diélectriques permet d’élaborer un scénario décrivant les mécanismes d’absorption et les caractéristiques du plasma généré sur toute la gamme de fluence étudiée. Nous montrons que pour les diélectriques, l’utilisation d’impulsions les plus courtes permet d’augmenter l’efficacité d’ablation.

Few-optical-cycle laser pulses are a key tool in the field of laser-matter interaction, whether for fundamental research or industrial applications. In this context, we study the surface ablation of metals (aluminum, copper, nickel and tungsten) and dielectric materials (fused silica and sapphire) for pulse durations ranging from 15 to 100 femtoseconds and intensity ranging from 1012 to1015 W/cm². The evolution of the ablation threshold is measured, using single-shot, for all materials as a function of the pulse duration. Then, we perform an energy balance experiment over a wide range of fluence (0.1 to 10 J/cm²), giving access to the evolution of the reflected, transmitted and absorbed energy fractions. In metals, at low excitation levels, the comparison between experimental results and modeling (Drude-Lorentz, two-temperature model) highlights the importance of considering the electronic density of states. In particular, inter-band collisions are taken into account with the Drude-Lorentz model, and the non-thermalized electronic population is included in the calculation of the electronic collision frequency (for copper and nickel). We then show that, at high excitation levels, Drude model can be applied to all metals. The energy balance measurement performed on dielectric materials allows the development of a scenario describing the importance of absorption mechanisms and the characteristics of the plasma generated over the whole fluence range. We show that for dielectrics, using the shorter pulses reduces the volume of absorption of the laser energy and improves the ablation efficiency.