Soutenance de thèse de Thibault GENIEYS

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Impulsions ultracourtes,femtoseconde,Ablation,diélectriques,métaux,
Keywords
Ultrashort pulses,femtosecond,Ablation,dielectric,metals,
Titre de thèse
Ablation laser en régime ultracourt de cibles diélectriques et métalliques
Ablation in dielectrics and metals with ultrashort laser pulses
Date
Vendredi 20 Décembre 2019 à 10:45
Adresse
163 Avenue de Luminy 13288 Marseille
Amphi 12
Jury
Directeur de these M. Olivier UTEZA CNRS
Rapporteur M. Jean-Philipe COLOMBIER Université Jean-Monnet
Rapporteur M. Laurent LAMAIGNèRE CEA-CESTA
Examinateur Mme Inka MANEK-HöNNINGER Université de Bordeaux
Examinateur M. Stefan HUELLER CNRS
Examinateur M. Jean-Yves NATOLI Aix-Marseille Université
Examinateur M. Philippe ADAM DGA
CoDirecteur de these M. Marc SENTIS CNRS

Résumé de la thèse

Les lasers délivrant des impulsions de quelques cycles optiques sont un outil de choix dans 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 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 (intensité de 1012-1015 W/cm²). 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 (0,1 à 10 J/cm²), 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. En particulier, les collisions inter-bandes sont prises en compte avec le modèle de Drude-Lorentz, et la population électronique non-thermalisée est inclue dans le calcul de la fréquence de collision (pour le cuivre et le nickel). Nous montrons ensuite 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 l’importance des 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 plus courtes permet de réduire le volume d’absorption et d’augmenter l’efficacité d’ablation.

Thesis resume

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) with pulse duration ranging from 15 to 100 femtoseconds, for intensity levels of 1012-1015 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 comparisons between experimental results and models (Drude-Lorentz, two-temperature model) highlight the importance of taking into account 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 shorter pulses reduces the volume of absorption and improves the ablation efficiency.