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 Tikhonchuk CELIA, Université Bordeaux 1, CNRS, CEA, France Antoine Bourgeade, David Hébert CEA CESTA, Le Barp, 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, 024101 (2007) 2

Expérience « single shot » dans du sapphir Nanocavités crées dans du sapphire Laser l = 800 nm, t = 150 fs Energie laser = 120 nJ Angle de diffraction θ = 100° Beam waist ω0 = l/πθ = 0.15 mm Profondeur de tir : 5 microns Sfoc = 0.15 mm2 Vfoc = 0.3 mm3 Intensité = 40 TW/cm2 Puissance crête = 0.5 MW Objectifs Comprendre les mécanismes de formation des nanocavités. Interpréter des expériences grâce à des modèles théoriques S. Juodkazis et al., Phys. Rev. L 96 166101 (2006) 3 3 3

Interaction en 2 étapes 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 4

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

Mécanismes d’ionisation dans les diélectriques Ex/ Bande interdite dans l’eau Ugap = 6.5 eV A l = 800 nm, Eph = 1.55 eV Ionisation collisionnelle Bande de conduction Eau transparente à l’IR N ≈ 4 photons sont nécessaires pour ioniser Le contrôle de l’intensité permet de contrôler la zone ionisée. Chauffage laser Bande interdite Ionisation multiphotonique Bande de valence 6 6 6 6

Estimation 2D de l’intensité au plan focal Laser l = 800 nm, t = 100 fs E = 30 nJ, w0 = 0.3 mm Longueur de Rayleigh w0 < l Seuil d’ionisation et puissance critique Ith = 29.3 TW/cm2 Estimation de l’intensité et de la puissance Ifoc = 90 TW/cm2, Pfoc ≈ 0.3 MW Surface de focalisation: Sfoc = πw0RL= 0.33 mm2 Plasma dans le plan focal  ++ absorption laser Effets non-linéaires négligeables 7 7 7 7

Modélisation Maxwell 2D dans la silice Carte d’énergie absorbée J/m3 LASER l = 800 nm, t = 180 fs I = 40 TW/cm2, E = 30 nJ Maillage 1760 * 751  2 heures sur un supercalculateur Dépôt d’énergie très localisé  pas d’endommagement en surface pas d’interaction avec les parois 8

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…) 9 9 9

Exemple de résultat en volume Silice 40 nJ Cavité finale exp : 175 nm modèle : 200 nm laser laser 2.207 g/cm3 1.944 g/cm3 1.681 g/cm3 Bon accord avec les résultats expérimentaux. Idem pour le sapphir. 10