Structuration de la matière par un train d'impulsions laser femtoseconde

par Paul Quinoman

Projet de thèse en Lasers, Matière et Nanosciences

Sous la direction de Guillaume Duchateau et de Benoît Chimier.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux) (laboratoire) et de Interaction, Fusion par Confinement Inertiel, Astrophysique (equipe de recherche) depuis le 16-10-2018 .


  • Résumé

    Lors de la propagation d'une impulsion laser dans un matériau diélectrique, des électrons de la bande de valence peuvent être promus vers la bande de conduction (ionisation) sous l'effet du champ laser. Les propriétés optiques du matériau sont alors modifiées, et, ce dernier initialement transparent, devient localement absorbant. Selon le processus de relaxation de l'énergie ainsi absorbée, une modification permanente et significative de la matière peut alors apparaître en surface du matériau ou en volume. Si les phénomènes sont bien maîtrisés, il est possible de structurer intentionnellement le matériau afin d'obtenir des propriétés optiques particulières (guide d'onde, réseau, etc). Toutefois, ce processus de structuration nécessite une impulsion laser intense, ce qui peut donner lieu à des effets indésirables tels que l'apparition de fissures ou un endommagement du matériau dans une large zone. Pour s'affranchir de cette contrainte, des trains d'impulsions laser (de quelques dizaines à quelques milliers d'impulsions) de plus faible énergie sont généralement utilisés. Dans ce cas, le temps de diffusion thermique doit être supérieur au délai entre deux impulsions consécutives, permettant d'être en régime d'accumulation thermique et ainsi d'induire efficacement des modifications du matériau. Jusqu'à présent, les travaux menés au CELIA sur la structuration de matériaux par laser femtoseconde se sont concentrés essentiellement sur l'utilisation d'une seule impulsion. Un modèle multi-physique et le code numérique associé ont été développés. Ils incluent de manière consistante la dynamique électronique, la propagation de l'impulsion laser, et la relaxation thermo-élasto-plastique du matériau donnant finalement lieu aux modifications permanentes de la matière. L'objectif principal de la thèse est d'étendre ce formalisme au cas d'un train d'impulsions laser. Au-delà des aspects numériques, il s'agira de modéliser par une approche quantique l'évolution de l'état de la matière en fonction de sa température et de sa densité. Sur cette base, des études sur la structuration des matériaux par laser seront effectuées. L'influence des paramètres laser (taux de répétition, énergie, géométrie du faisceau, etc) sera notamment abordée.

  • Titre traduit

    Material structuring by a train of femtosecond laser pulses


  • Résumé

    When dielectric materials are illuminated by an intense laser pulse, valence electrons may be ionized into the conduction band by nonlinear ionization processes. The ionized matter then starts to absorb laser energy. Depending on the amount of absorbed energy and the relaxation processes which can take place, a defect or a significant structuration of the material may appear at the surface or in the bulk of the irradiated material. However, high laser intensities are required to perform the material structuration by using one laser pulse. These laser pulses may induce mechanical stress and strains inside the surrounding cold matter. This requirement was simplified by using a train of femtosecond laser pulses. This technique use multiple pulses which are incident on the same focal spot inside the sample. In this case, one may accumulate the laser energy in the absorption region if the time between laser pulses is shorter than the thermal relaxation time. The material can be heated to very high temperature even if the single pulse energy is too low to induce a significant material modification by itself. Due to the low heat diffusivity in a dielectric material, using a train of femtosecond laser pulses offers the possibility to control the amount of laser energy deposited inside the material to avoid indessirable effects in the surrounding cold matter. Actually, in CELIA, only one laser pulse is concidered in the different studies concerning material structuration with femtosecond laser pulse. A multi-physic modeling associated to a numerical tool, have been developed. It includes description of the coupled electron and laser propagation dynamics, the laser energy deposition in the material, and the thermo-elasto-plastic relaxation of the material on a ns time scale. The main objective of this thesis, is to extended to multiple interactions where the pulse-to-pulses evolution of the matter properties will be accounted for.