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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