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Interaction laser-matière en régime laser femtoseconde
Depuis leur découverte, les impulsions laser ultra brèves et intenses constituent un processus de base pour de nombreuses applications dans différents domaines, tels que le micro usinage et le marquage de matériaux, la découpe, et le perçage, l’ablation, le dépôt de couches minces et le traitement des surfaces, ainsi que la chirurgie, et la restauration d’œuvres d’art [VD96, DRW02, HBW05]. L’interaction laser matière est un processus au cours duquel l’énergie du faisceau laser est absorbée par le matériau. Ce processus d’absorption dépend de la nature du matériau utilisé. Les métaux, les semi-conducteurs ou les diélectriques, répondent différemment à l’excitation d’un tel faisceau laser. Notre étude se concentre sur l’interaction avec les métaux. Nous détaillerons dans les paragraphes suivants les structures électroniques des métaux utilisés, ainsi que les différents processus d’interaction envisageables avec des impulsions laser femtoseconde. Une représentation en « structure de bande » est plus explicite et permet de montrer que le solide possède des bandes d’énergies permises, séparées par des bandes interdites. On distingue en effet deux types de bandes : la bande de valence qui représente la dernière bande entièrement occupée, dans laquelle l’énergie des électrons se situe juste en dessous ou au même niveau que l’énergie de Fermi (l’énergie du plus haut niveau occupé à une température de zéro Kelvin) et une bande de conduction située au-dessus de la bande de valence, et qui peut être vide ou partiellement remplie. Entre les deux bandes, on trouve une bande interdite appelée le « Gap », cette dernière est vide d’électrons, et contient des états libres, sa largeur exprimée en eV dépend de la nature du matériau. Les électrons du solide se répartissent dans les niveaux d’énergie autorisés dans les bandes de valence et de conduction. Selon le remplissage des bandes à une température absolue (T=0K) on peut distinguer les différences du comportement électrique entre les métaux, les semi-conducteurs et les diélectriques (figure 1.1) :
De manière générale, l’interaction laser matière se fait par l’excitation d’électrons absorbant l’énergie apportée par des photons selon des mécanismes dépendant de la nature du matériau. Un matériau métallique est constitué d’un réseau d’ions entourés d’électrons plus ou moins liés. On peut distinguer les électrons de cœur et les électrons de valence. Les électrons de cœur sont fortement liés aux ions du réseau, leurs énergies de liaison sont très élevées (plusieurs centaines d’eV [Pet05]). Cela les rend peu sensibles à l’énergie générée par le faisceau laser excitant. Les électrons de valence, quant à eux, occupent généralement la couche électronique externe des atomes, ils sont délocalisés et partagés par plusieurs ions, leurs énergies de liaison moins fortes sont à la portée du faisceau laser excitant. Elles correspondent en effet aux énergies de photons dans la L’excitation d’un métal par des impulsions laser femtoseconde de haute intensité se caractérise par le fait que seuls les électrons libres sont concernés par l’interaction initiale. L’impulsion est courte, l’interaction est donc courte et le transfert d’énergie des électrons vers le système (le réseau cristallin) est plus lent que la durée de l’impulsion. L’interaction laser ultra-courte dans les métaux, selon l’article de J. Hohlfed et al [HWG00], se fait sur trois intervalles de temps. Dans un premier temps, immédiatement après l’excitation laser, le système d’électrons est dans un état de non équilibre [FST92]. Ce déséquilibre d’électrons est favorisé par deux processus concurrents. Un premier processus est le mouvement balistique des électrons excités dans la partie la plus profonde du métal avec des vitesses proches de la vitesse de Fermi, c’est à dire environ 106 m/s [SBJ95]. Le deuxième processus est plus général, il concerne l’évolution de la température des électrons suite aux collisions entre les électrons excités et les électrons qui se trouvent autour du niveau de Fermi [ABP97]. Une fois que l’équilibre thermique entre les électrons chauds est atteint, un second intervalle de temps commence. Il se caractérise par une distribution de Fermi et une température des électrons initialement différente de celle du réseau. Ce bain d’électrons chauds est au début localisé à l’intérieur de la profondeur d’absorption optique. Ces électrons chauds sont diffusés dans la partie la plus profonde du métal avec une vitesse considérablement plus lente que celle du mouvement balistique. Cette diffusion est régie par le couplage électron-phonon qui refroidit le bain d’électrons. Ce refroidissement par couplage électron-phonon peut être décrit par le modèle à deux températures (comme nous le verrons dans le paragraphe suivant). Enfin, arrive un troisième intervalle de temps dans lequel les électrons
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