Interaction laser-matière aspects fondamentaux

Interaction laser-matière aspects fondamentaux

Concepts généraux de l’interaction laser-matière

Mécanismes physiques

Nous résumons ici les différents mécanismes ayant lieu dans un solide irradié par un faisceau laser femtoseconde. Bien que ces mécanismes soient en réalité plus ou moins concomitants, une présentation chronologique permet d’insister sur les échelles de temps associées aux différents phénomènes conduisant in fine à l’ablation de matière. Un solide peut être décrit comme un réseau d’ions entourés d’électrons, plus ou moins liés selon la nature du matériau (isolant ou conducteur). Lors de l’irradiation d’un solide par un champ électromagnétique intense, l’énergie est absorbée principalement par les électrons, avec des mécanismes qui diffèrent selon les matériaux* . Les électrons absorbent l’énergie des photons quasi-instantanément (<1 fs), cette absorption dépendant à la fois des propriétés du matériau et du laser utilisé (intensité, longueur d’onde, durée d’impulsion). L’énergie est ensuite transférée au réseau d’ions progressivement, sur une échelle de temps typique de 1 à 10 picosecondes. L’intérêt des impulsions de durée inférieure à cette valeur réside dans le fait que de l’énergie est déposée dans le matériau bien avant que le solide (électrons+ions) ne soit thermalisé, découplant ainsi les dynamiques d’évolution des électrons et du réseau d’ions. Pour une impulsion femtoseconde, dont la durée est comparable au temps de relaxation des électrons entre eux (10 à 100 fs), le transfert d’énergie au réseau d’ions n’a lieu qu’après le passage de l’impulsion : le solide est alors constitué d’un gaz d’électrons chauds entourant un réseau d’ions encore froids (immobiles). Ce dépôt d’une grande quantité d’énergie dans le matériau sur un temps bien inférieur aux temps typiques de thermalisation est assimilable à un choc thermique. Des états d’excitation avec un système largement hors-équilibre peuvent alors être atteints, ce qui permet d’observer des phénomènes non thermiques originaux comme par exemple une fusion ultrabrève (transition de phase solide-liquide inférieure à 1 ps [53-55]), une surfusion [56] ou un changement de phase solide-plasma ultrabref** dans les diélectriques et les semi conducteurs, conduisant à l’éjection directe de matière si l’intensité du champ électrique dépasse le seuil d’ablation du matériau, ou encore une réorganisation ultrarapide de la structure cristalline voire même une perte d’ordre dans les diélectriques [57, 58], qui peut induire une modification de l’indice de réfraction. Après la thermalisation électrons-réseau (quelques picosecondes), le solide est à nouveau en équilibre thermodynamique. Selon la fluence laser absorbée par le matériau, plusieurs types de modifications sont observables. Si la température du solide excède le point de fusion ou d’évaporation, des transitions de phase peuvent avoir lieu, et s’effectuent à l’échelle de 100 ps à 10 ns selon les matériaux. Une fois les ions chauffés, une partie de l’énergie déposée par l’impulsion laser étant convertie en énergie cinétique des ions du réseau cristallin, des atomes, ions, molécules ou agrégats peuvent être violemment éjectés si leur énergie est suffisante, conduisant à l’ablation de matière lors d’une irradiation de surface, ou à la formation de cavités lors de la focalisation dans la masse d’un verre. Si l’énergie laser déposée n’est pas suffisante pour réaliser cette ablation, la température revient progressivement à la température ambiante (avec des processus de resolidification) sur une échelle de temps de quelques microsecondes pour les diélectriques et quelques nanosecondes pour les métaux. Cependant, le matériau ne revient pas nécessairement à son état initial de structure ou de phase, il peut alors présenter des modifications structurelles. La figure 5.1, issue de [59], présente un récapitulatif des mécanismes évoqués cidessus. La considération de la constante de temps de thermalisation électrons-réseau suggère que l’ablation, qui intervient après, peut alors être considérée comme un phénomène thermique. Cependant, lors de l’interaction avec des impulsions ultracourtes, on a affaire à des processus hautement transitoires. Les différents mécanismes sont plus ou moins superposés dans le temps, et les équilibres thermiques entre les différentes phases susceptibles d’être présentes dans le matériau sont loin d’être atteints. De plus, l’éjection de matière intervient au début de la diffusion thermique dans l’ensemble du matériau, c’est-à-dire que le transfert de chaleur dans des zones non irradiées environnantes est encore très réduit, voire inexistant selon les matériaux. La zone d’interaction est donc très localisée. Dans ces conditions, on saisit bien l’intérêt de contrôler la forme du point focal, que ce soit pour l’ablation précise et propre de surface ou pour la création de modifications structurelles bien localisées dans les diélectriques, permettant par exemple de contrôler la forme de la zone où l’indice de réfraction est modifié.

Comparaison entre impulsions femtosecondes et nanosecondes

 Par opposition aux impulsions femtosecondes, une impulsion nanoseconde (ou d’une durée au moins supérieure à quelques dizaines de picosecondes) induit elle aussi une modification du matériau, mais celle-ci est gouvernée par un processus classique de dépôt de chaleur par chauffage d’électrons avec un transfert d’énergie à la matrice cristalline en équilibre thermodynamique tout au long de la durée de l’impulsion* . Autrement dit, le chauffage du réseau d’ions a lieu pendant l’impulsion laser. De même, les transitions de phase éventuelles se produisent également pendant l’impulsion, jusqu’à la fusion ou l’évaporation. Ce type d’interaction avec des impulsions longues est donc purement thermique. De ce fait, lorsque l’on compare les résultats d’usinage de surface avec des impulsions femtosecondes (figure 5.2.a) et nanosecondes (figure 5.2.b), la zone ablatée est moins nettement délimitée avec les impulsions longues, avec une zone thermiquement affectée autour du trou pouvant être significative (une dizaine de microns). La figure 5.2.c présente l’influence de la durée d’impulsion sur le seuil de dommage [61-63]. Deux régimes de comportement des matériaux peuvent être différenciés : augmentation du seuil de dommage avec la durée d’impulsion au delà de 10 ps, aucune dépendance si la durée d’impulsion est inférieure à 10 ps. Comme on l’a déjà précisé, ce temps correspond au temps de thermalisation entre les électrons et le réseau d’ions, et distingue les mécanismes d’interaction thermiques et athermiques. Pour des impulsions longues, c’est la dynamique de conductivité thermique du réseau d’ions qui régit le processus d’interaction. En d’autres termes, le seuil de dommage dépend de la capacité du matériau à évacuer l’énergie déposée par diffusion thermique. Un modèle thermique simple prédit une dépendance du seuil de dommages en fonction de la racine carrée τ 1/ 2 de la durée d’impulsion [64], en accord avec les nombreuses expériences réalisées à ce sujet (voir par exemple [65]). Pour des durées d’impulsion subpicosecondes, le seuil de dommages est indépendant de la durée d’impulsion. La figure 5.2 montre des résultats d’ablation sur un métal, mais le même type de dépendance avec la durée d’impulsion est observé pour les diélectriques* , la seule différence notable étant des seuils de dommages un ordre de grandeur plus élevés (typiquement quelques centaines de mJ/cm² pour les métaux, quelques J/cm² pour les diélectriques). Afin de décrire l’état du matériau irradié par des impulsions subpicosecondes, on utilise un modèle à deux températures dans les métaux [66-68] et un modèle d’ionisation non-linéaire dans les diélectriques [61, 69]. La déviation observée par rapport à la loi en τ 1/ 2 s’accompagne en particulier de phénomènes très reproductibles. Cette caractéristique de l’interaction laser-matériau est cruciale pour les applications, car elle donne la possibilité de contrôler extrêmement précisément la zone modifiée ou ablatée, à condition d’être capable de contrôler la forme spatiale du faisceau laser. Dans ces conditions, l’intérêt que peut apporter une mise en forme dynamique de tache focale est bien mis en valeur.

Thermalisation

A ce stade, on observe alors une thermalisation progressive du système global : les électrons chauds transfèrent leur énergie au réseau d’ions sous forme de phonons. Un phonon désigne le quantum d’énergie associé à un mode vibratoire du réseau d’ions. La rapidité du transfert thermique dépend étroitement de la force du couplage électronphonon, caractéristique de chaque matériau [73]. Cette durée est typiquement de l’ordre de quelques picosecondes. Le système est hors-équilibre pendant toute cette phase, avec une température électronique Te supérieure à la température ionique Ti. Une thermalisation complète du matériau ( e = T Ti ) est atteinte typiquement au bout de quelques picosecondes après le dépôt d’énergie laser. Dès lors, tous les processus suivants et notamment les modifications structurelles ou les changements de phase (fusion, vaporisation, ablation ou resolidification selon la fluence initiale) sont thermiques et peuvent être décrits par un modèle de diffusion thermique à une température. Pour décrire l’état du matériau avant la thermalisation électrons-réseau, l’utilisation d’un modèle à deux températures est alors justifiée pour décrire séparément les évolutions temporelles des températures des électrons et des ions [74-76]. Anisimov et al. ont proposé ce modèle pour la première fois en 1974 [66], qui s’exprime sous la forme d’un système d’équations différentielles couplées décrivant les évolutions temporelles des températures électroniques et ioniques  et Ci sont les chaleurs spécifiques électroniques et ioniques, la constante g est un terme de couplage électron-phonon qui décrit le transfert d’énergie électronique au réseau d’ions. Ke est la conductivité thermique des électrons, et S(z,t) est le terme source décrivant la densité de puissance déposée par une impulsion laser dans le gaz d’électrons. Dans la deuxième équation, le terme de diffusion thermique ionique peut être négligé devant le terme de transfert. Ce modèle à une dimension (selon l’axe laser z) peut être étendu à deux dimensions pour décrire également les effets thermiques dans la direction perpendiculaire à la surface, ce qui permet de définir une zone affectée thermiquement ZAT (c’est-à-dire dont les propriétés structurelles ont également été Chapitre 5 – Interaction laser-matière : aspects fondamentaux 95 modifiées) dans l’environnement immédiat d’un trou d’usinage laser. Une ZAT d’extension spatiale dix fois plus faible avec une irradiation femtoseconde qu’avec une irradiation nanoseconde a été calculée et démontrée expérimentalement sur l’aluminium*. Le modèle à deux températures peut également être couplé à un code hydrodynamique tenant compte des changements de phase du métal afin de procurer des informations plus précises sur les conditions de température et de pression induisant l’ablation, et permettant notamment de mettre en évidence la présence d’ondes de choc .