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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.

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1 Formation de nano-cavités et de jets nanométriques dans un diélectrique irradié par laser femtoseconde Candice Mézel Journées des Phénomènes Ultra-rapides 2009

2 Les équipes Ludovic Hallo, Jérôme Breil, Vladimir Tikhonchuk CELIA, Université Bordeaux 1, CNRS, CEA, France Agnès Souquet, Fabien Guillemot INSERM U577 – Biomatériaux et Réparation Tissulaire Université Bordeaux 2, France Olivier Saut Institut de Mathématiques de Bordeaux Université 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, (2007) Antoine Bourgeade, David Hébert CEA CESTA, Le Barp, France 2

3 Nanocavités crées dans du sapphire = 800 nm, = 150 fs Energie laser = 120 nJ Angle de diffraction θ = 100° Beam waist ω 0 = /πθ = 0.15 m Profondeur de tir : 5 microns Laser S foc = 0.15 m 2 V foc = 0.3 m 3 Intensité = 40 TW/cm 2 Puissance crête = 0.5 MW S. Juodkazis et al., Phys. Rev. L (2006) 3 Expérience « single shot » dans du sapphir Objectifs Comprendre les mécanismes de formation des nanocavités. Interpréter des expériences grâce à des modèles théoriques

4 1. Temps courts : absorption de lénergie laser ~ 100 fs - Focalisation du laser intensités ~ 50 TW/cm 2 au plan focal - Ionisation rapide et formation dun plasma: chauffage des électrons (T ~ 10 eV) - Modification des propriétés optiques : longueur dabsorption ~ 1 µm 2. Mise en mouvement - Transfert dénergie des électrons aux ions ~ 1 ps - Retour à léquilibre thermodynamique Temps intermédiaires : expansion hydrodynamique ~ 100 ps - Formation dune 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 4 Interaction en 2 étapes

5 Etape 1 : Absorption de lénergie laser Propagation du laser : équations de Maxwell Absorption de lénergie : ionisation Modèle 1D/2D/3D comprenant : 5

6 6 Ex/ Bande interdite dans leau U gap = 6.5 eV A = 800 nm, E ph = 1.55 eV Eau transparente à lIR N 4 photons sont nécessaires pour ioniser Le contrôle de lintensité permet de contrôler la zone ionisée. Mécanismes dionisation dans les diélectriques Bande de conduction Bande de valence Bande interdite Ionisation collisionnelle Ionisation multiphotonique Chauffage laser

7 7 Laser = 800 nm, t = 100 fs E = 30 nJ, 0 = 0.3 m Estimation de lintensité et de la puissance I foc = 90 TW/cm 2, P foc 0.3 MW Surface de focalisation: S foc = π 0 R L = 0.33 m 2 Seuil dionisation et puissance critique I th = 29.3 TW/cm 2 Plasma dans le plan focal ++ absorption laser Effets non-linéaires négligeables Longueur de Rayleigh 0 < Estimation 2D de lintensité au plan focal

8 Modélisation Maxwell 2D dans la silice = 800 nm, = 180 fs I = 40 TW/cm 2, E = 30 nJ Carte dénergie absorbée J/m 3 LASER Dépôt dénergie très localisé pas dendommagement en surface pas dinteraction avec les parois 8 Maillage 1760 * heures sur un supercalculateur

9 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 détat tabulées (SESAME, QEOS, fabriquées…) 9

10 Silice 40 nJ Cavité finale exp : 175 nm modèle : 200 nm Bon accord avec les résultats expérimentaux. Idem pour le sapphir. laser 10 Exemple de résultat en volume laser g/cm g/cm g/cm 3


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