Structuration de matériaux diélectriques par un train d’impulsions laser femtoseconde avec dérive spatiale en fréquence

Material structuring by a train of spatially chirped femtosecond laser pulses

• Auteur / Autrice : Paul Quinoman
• Direction : Hervé Jouin, Guillaume Duchateau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 18/01/2023
• 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 : Stéphane Guizard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Colombier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Grojo, Arnaud Couairon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faisceaux laser

Lasers femtoseconde

Diélectriques

Mots clés libres

Matériaux diélectriques

Impulsions laser femtosecondes

Train d'impulsions laser

Mise en forme de faisceaux

Dielectric materials

Femtosecond laser pulses

Train of laser pulses

Beam shaping

Résumé

Les lasers femtosecondes sont aujourd'hui largement utilisés afin d'induire des modifications structurelles dans le volume des matériaux, en particulier dans les matériaux diélectriques. En raison de leur large bande interdite, ces matériaux sont transparents à la lumière visible, et ne deviennent absorbants que pour des flux importants. La non-linéarité de l'interaction entraîne ainsi l'existence d'un seuil en intensité pour ioniser sensiblement le matériau, permettant d'obtenir des dépôts d'énergie localisés au sein de son volume. Cependant, le contrôle de la position et de la géométrie de ce dépôt peut se révéler complexe, nécessitant d'ajuster finement les différents paramètres laser. Si l'influence de l'énergie laser, l'ouverture numérique du faisceau et la durée de l'impulsion ont été largement étudiées, la mise en forme de la distribution spatiale et temporelle de l'énergie laser constitue une approche prometteuse et moins documentée. Ce travail vise à étudier l'influence de la mise en forme de trains d'impulsions laser, dans des conditions de focalisation et d'intensité laser modérées (conditions paraxiales), pour des impulsions présentant une dérive spatiale en fréquence. Dans un premier temps, l'utilisation d'impulsions présentant une dérive spatiale en fréquence dans le plan transverse à la propagation est étudiée à l'aide du code ARCTIC, résolvant les équations de Maxwell en 3D. Des conditions laser pertinentes ont été identifiées et implémentées dans le code ARCTIC. Les simulations réalisées pour de telles impulsions démontrent la possibilité de contrôler la direction du front d'ionisation et ainsi la géométrie du dépôt d'énergie. Un modèle simple prédisant la géométrie du dépôt d'énergie est également présenté. Dans un second temps, afin d'étudier l'interaction de multiples impulsions avec le matériau, un modèle de propagation fondé sur l'équation de Schrödinger Non-Linéaire a été développé. Grâce à des optimisations analytiques, des résultats 3D sont correctement approchés avec un temps de calcul fortement réduit. La présence de défauts induits dans le matériau par les impulsions laser successives est introduite, mettant en exergue l'effet d'accumulation dans le matériau. Le modèle est comparé à des résultats expérimentaux. Des études paramétriques sont réalisées pour des trains jusqu'à une centaine d'impulsions. Il en ressort notamment que l'ajustement de l'intensité des impulsions au sein du train, du délai entre deux impulsions et du taux de dérive spatiale en fréquence permet d'augmenter l'énergie déposée et de contrôler la géométrie du dépôt.

Nowadays, femtosecond laser pulses are widely used to induce structural modifications within dielectric materials. Because of their large bandgap, those materials are transparents to visible light, and become absorbing for high intensities. This nonlinear feature of the interaction is responsible for a threshold intensity during the interaction, and allow one to induce localized energy deposition in the volume of the material. However, the control of both localization and geometry of the energy deposition requires a fine adjustment of the laser parameters. Currently, the influence of the laser energy and numerical aperture are well known. However, the spatio-temporal shaping of the laser energy distribution, through a spatial chirp in a direction transverse to the laser propagation, is a promising approach still to be investigated. The present work aims at studying the shaping of femtosecond laser pulse train, for intensity around the interaction threshold, and moderate focusing conditions. First, spatially chirped laser pulses are studied using the 3D Maxwell solver ARCTIC. Relevant laser configuration are identified and implemented in ARCTIC. The results demonstrate the possibility to control the direction of the ionization front and the shape of the energy deposition. A model has been developed to evaluate the geometry of the resulting structure. Then, in order to study multiple laser pulses interacting with a material, a propagation model based on NonLinear Schrödinger equation is developed. Using analytical optimization, 3D results are correctly predicted with very low computation cost. The influence of laser induced defects in the material is introduced as well as the incubation effect during multi-pulse irradiation. The model is validated against experimental results. Parametric studies are done for a train up to a hundred of laser pulses. It is shown that the energy deposition can be controlled by tuning the intensity distribution within the train.