Formation de nano-cavités et de jets nanométriques dans un diélectrique irradié par

laser femtoseconde

Candice Mézel

Journées des Phénomènes Ultra-rapides 2009

Les équipes

Ludovic Hallo, Jérôme Breil, Vladimir TikhonchukCELIA, Université Bordeaux 1, CNRS, CEA, France

Agnès Souquet, Fabien GuillemotINSERM U577 – Biomatériaux et Réparation TissulaireUniversité Bordeaux 2, France

Olivier SautInstitut de Mathématiques de BordeauxUniversité Bordeaux 1, France

Publications: C. Mézel et al, PoP (2008) E. Gamaly et al., Current Applied Physics (2008) L. Hallo, Conference New Models and Hydrocodes for Shock Wave

processes in Condensed Matter, (Lisbonne 2008) L. Hallo et al., IFSA 07 L. Hallo et al., Phys. Rev. B 76, 024101 (2007)

Antoine Bourgeade, David HébertCEA CESTA, Le Barp, France

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Nanocavités crées dans du sapphire

= 800 nm, = 150 fsEnergie laser = 120 nJ Angle de diffraction θ = 100°Beam waist ω0 = /πθ = 0.15 mProfondeur de tir : 5 microns

Laser

Sfoc = 0.15 m2

Vfoc = 0.3 m3

Intensité = 40 TW/cm2

Puissance crête = 0.5 MW

S. Juodkazis et al., Phys. Rev. L 96 166101 (2006)

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Expérience « single shot » dans du sapphir

Objectifs

• Comprendre les mécanismes de formation des nanocavités.• Interpréter des expériences grâce à des modèles théoriques

1. Temps courts : absorption de l’énergie laser ~ 100 fs- Focalisation du laser intensités ~ 50 TW/cm2 au plan focal

- Ionisation rapide et formation d’un plasma: chauffage des électrons (T ~ 10 eV)

- Modification des propriétés optiques : longueur d’absorption ~ 1 µm

2. Mise en mouvement

- Transfert d’énergie des électrons aux ions ~ 1 ps

- Retour à l’équilibre thermodynamique

Temps intermédiaires : expansion hydrodynamique ~ 100 ps- Formation d’une onde de choc ~ 10 ps, détente et compression du matériau

- Formation de la cavité

Temps longs : ~ 1 µs- Dans un liquide : effondrement de la cavité sur elle-même.

- Dans un solide : solidification

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Interaction en 2 étapes

Etape 1 : Absorption de l’énergie laser

Propagation du laser : équations de Maxwell

Absorption de l’énergie : ionisation

Modèle 1D/2D/3D comprenant :

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Ex/ Bande interdite dans l’eau Ugap = 6.5 eV

A = 800 nm, Eph = 1.55 eV

• Eau transparente à l’IR• N ≈ 4 photons sont nécessaires pour ioniser• Le contrôle de l’intensité permet de contrôler la zone ionisée.

Mécanismes d’ionisation dans les diélectriques

Bande de conduction

Bande de valence

Bande interdite

Ionisation collisionnelle ),(col en Tn

Ionisation multiphotonique4

4mpi I

mpiion2mpi nnWE

EJ

Chauffage laser EJ e

.

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Laser

= 800 nm, t = 100 fsE = 30 nJ, 0 = 0.3 m

Estimation de l’intensité et de la puissance

Ifoc = 90 TW/cm2, Pfoc ≈ 0.3 MW

Surface de focalisation: Sfoc = π0RL= 0.33 m2

Seuil d’ionisation et puissance critique

MW 87.1 2

P20

2

cr nn

Ith = 29.3 TW/cm2

Plasma dans le plan focal ++ absorption laserEffets non-linéaires négligeables

m 35.020

LR

Longueur de Rayleigh

0 <

Estimation 2D de l’intensité au plan focal

Modélisation Maxwell 2D dans la silice

= 800 nm, = 180 fsI = 40 TW/cm2, E = 30 nJ

Carte d’énergie absorbéeJ/m3

LASER

Dépôt d’énergie très localisé pas d’endommagement en surface pas d’interaction avec les parois

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Maillage 1760 * 751 2 heures sur un supercalculateur

Etape 2: Mouvement hydrodynamique

SIMULATIONS HYDRODYNAMIQUES

Condition initiale: Energie absorbée calculée à partir du code Maxwell

Hydrocode CHIC : 2D axisymmétrique- Bitempérature (électrons et ions)- Couplage électrons/ions- Conductions thermiques- Equations d’état tabulées (SESAME, QEOS, fabriquées…)

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Silice 40 nJ

Cavité finale

• exp : 175 nm

• modèle : 200 nm

Bon accord avec les résultats expérimentaux.Idem pour le sapphir.

laser

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Exemple de résultat en volume

laser2.207 g/cm3

1.944 g/cm3

1.681 g/cm3