Comportement de la matière irradiée par un laser femtoseconde

… de l’excitation du matériau à l’auto-organisation de la surface

Jean-Philippe Colombier

Laboratoire Hubert Curien

2

Complexité et auto-organisation

L’activité humaine en lumièreCredit: NASA.gov

Contraintes de la surface+

Interactions locales

Organisation spontanée

Photo-émission e-

Absorption locale de lumière & interactions

Emergence d’un ordresynchronisé

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A l’échelle nanométrique…

Rugosité – aléatoire chaotique

Filaments - rides

Alvéoles

Du désordre vers un ordre induit par la lumière

Complexité et auto-organisation

100 nm

4

Interaction laser ultrabref-matière

Focalisation

Microscopie

super-résolue

100 femtosecondes≈50 oscillations de la lumière< temps vibration des atomes (solide)

Durée

Concentration

N=1014 photons sur 100 µm2

1-10 photons/atome Confinement spatio-temporel de l’énergie

P=1 GigaWattsI=1013 W/cm2Puissance

Dynamique

5

Nanostructuration de surface

Précision

Laser femto

l’échelle de la structuration

définit

Structures“organisables”

Cavités

Excroissance

Credit: LZH

6

Nanostructuration de surface

Précision

Laser femto

l’échelle de la structuration

définit

Structures”auto-organisées”

Rides

Ecailles

Pointes

Puits

Nanoparticules

Credit: IESL; Twente

Quelles spécificités des impulsions laser fs ?

Photo-excitation&

Relaxation du matériau

7

• Absorption • Dynamique• Confinement

Interaction laser fs-matière

8

Spécificité 1: Absorption

τ=100 fs

Modification de la structure électronique

Bande deConduction

Bande deValence

Absorption

non-linéaire

Métallisationdes diélectriques

Mécanisme primaire

Non-équilibre

e-

Cristal

Silaeva et al., PRB (2018)

N. Zhang et al., PRL (2007).

Produits d’ablation(Plasma, NP)

Laser Femto

Surface

Vitesse expansion104 m/s

Fluide supercritique (104 K)

Ejection de liquide

Chauffage1014 K/s

Trempe1012 K/s

Onde de choc1-100 GPa

Spécificité 2: Thermodynamique

Air100 µm

Laser Femto

Spécificité 3: Confinement de l’énergie

Spatial: E concentrée sur 10-100 nm

Temporel: Chauffage et expansion dissociés

Vue de dessus

Echelle de rugosité = 10aines nmPrécision profondeur <100 nm

Cavitation

Solidefroid

Quelle est la largeur de la pelle?

Quid de la précision transverse ?

Thèse – Y. Di Maio (2013)

Distribution d’intensité

Comment faire mieux que le µm… ?

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Les effets de “champ proche optique”

Surface après

1 tir laser

Rayures

Stries

Nanocavités

Excroissances

Nanopores

200 nm

+ Re-dépôt

gouttelettes

Nanostructures concentrent l’énergie

Précision ++!PEEM

1 µm

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Pulse Number 2

Fluence 0.38 J/cm²

Nickel (100)

Pulse Number 46

Fluence 0.19 J/cm²

Nickel (100)

Auto-organisation [Rides]

5µm5µm

Femto laser

1p

5p

20pΛ≈ 100 nm Λ≈ 500 nm

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Codage couleur et marquaged’informations

B. Dusser et al., Opt. Express 18, 2913 (2010)

Alu Or Platine

Coloration des surfaces

Processus de diffraction

DiffractionMulti-spectrale

Credit: Univ Rochester

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Imposer un ordre au désordre

◇Comment la topographie influence l’absorption?

◇Quelle est la nature de cette auto-organisation?

◇Dynamique de la matière?

Manipulation de la lumière à l’échelle du nm

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Distribution de la lumière sur des rugosités

Répartition de l’énergie sur la rugosité

Λ≈ 100 nm Λ≈ 500 nm

Couplage lumière sur topo + interaction locale + ordre cohérent à longue portée

Rudenko et al., Scientific Reports (2017)

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5µm 5µm

De l’autre côté du miroir

Sedao et al., ACS Photonics (2018)

Nanopores

Nanocavités

Crête nanoporeuse

Microscopie électronique en transmission

20 nm

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NickelNickel

Transitions de phase sous états extrêmes

Microscopie électronique en transmission HR

SAED

20 nm

Changement de symétries du cristal (macles) Surfusion

Sedao et al., ACS nano (2016)

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Absorption augmentée

Cavitation des crêtes

FDTD

Saturation du contraste

Champ proche induit

Cavitation d’extrême surface

0 0.50 1

Simulation

Amplification vs régulation

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Perspectives et enjeux

Diminuer encore l’ordre local

Fonctionnalisation structuraleAmorphe

Cristal

Mise en forme de faisceau

Auto-organisation de vortex

Merci pour votre attention !

Collaborateurs

Anton RudenkoAnthony Abou Saleh

Thierry DouillardClaire Maurice

SedaoStéphanie Reynaud

Cyril MauclairFlorent Pigeon

Tatiana ItinaRazvan Stoian

Florence Garrelie…

Collaborations

• Virginia University (US) ; Xi’an (Chine)

• Forth – (Grèce) ; BAM (Allemagne)…