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
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• 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)…
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