Dynamique de la formation des LIPSS

Dynamique de la formation des LIPSS

Dans les sections précédentes, nous avons abordé le rôle important des plasmons de surface dans le couplage laser matière. Dans ce cadre nous avons examiné ce couplage par l’intermédiaire de réseaux avec différentes périodes (440-800 nm) fabriqués à la surface d’un métal (Ni). Nous avons par la suite étudié le rôle important de la force du couplage électron-phonon dans l’évolution de l’amplitude des LIPSS, une expérience a donc été réalisée sur différents matériaux avec différentes constantes de couplage électron-phonon. Cette expérience a révélé que l’évolution de l’amplitude des LIPSS, mesurée en fonction de la fluence pourrait être corrélée avec l’évolution attendue de la force de couplage électron-phonon avec la température. Ce constat nous incite à penser que l’étude de l’influence du temps de relaxation électron phonon sur la formation des LIPSS est indispensable, nous présentons dans ce chapitre cette étude à l’aide d’une expérience pompe-sonde sur deux métaux (W et Al) que nous présenterons dans les sections suivantes. La dynamique du couplage laser-matière correspond à un changement transitoire des propriétés du système absorbant, dû à une excitation des plasmons ou à une relaxation électrons-phonon. La figure 5.1, présente les différentes étapes de cette dynamique. La première étape consiste en l’excitation du plasmon de surface par une forte absorption de l’énergie du faisceau laser incident (chapitre 3). L’énergie captée par ces électrons libres se diffuse ensuite à l’intérieur du matériau par l’intermédiaire du couplage électron- phonon (chapitre 4). Ce couplage est caractérisé par un temps de relaxation thermique entre électron et phonon τe-ph. Ce temps de couplage laser-matière est un facteur influant sur la formation des LIPSS, comme cela a été montré dans le précédent chapitre. Il a d’ailleurs fait l’objet de beaucoup d’études, comme celle qui porte sur le rendement de l’émission des ions [SHB02]. J. Kim et al attestent dans leur article [KNC08] que la formation des LIPSS est une conséquence de l’oscillation des électrons chauds à la surface du matériau. Ces oscillations peuvent être perturbées par une impulsion ultérieure qui aurait lieu avant le transfert d’énergie des électrons chauds au réseau cristallin froid.

Ces études nous incitent à proposer dans ce chapitre une étude expérimentale sur l’effet dynamique intervenant dans la formation des LIPSS. Les étapes majeures de l’expérience consistent en la génération d’une paire d’impulsions (pompe et sonde) et le réglage du délai qui les sépare. Afin de mieux comprendre le rôle de la relaxation électron-phonon dans la formation des LIPSS, nous portons notre étude sur deux métaux différents ce qui nous permet d’aborder les différents aspects qui régissent cette dynamique. Aussi, nous avons choisi le tungstène et l’aluminium, car ces métaux se distinguent par des densités Pour mener à bien cette étude, nous avons utilisé deux dispositifs expérimentaux différents : dans les expériences sur l’aluminium, effectuées à Cottbus, les doubles impulsions étaient préparées par la division d’une impulsion parente dans un interféromètre de Michelson. Le temps entre deux impulsions variables allant jusqu’à 100ps. Dans les expériences sur le tungstène, réalisées au Laboratoire Hubert-Curien, nous nous sommes servis d’un dispositif de mise en forme temporelle, accessible par SLM au sein du laboratoire. Ce dispositif peut délivrer des doubles impulsions avec des délais variables et limités au maximum à 20ps.

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sous une pression d’environ 10-8 mbar. L’ajustement de la puissance laser est effectué à l’aide d’une lame ½ onde et d’un polariseur. Nous utilisons également un Shutter mécanique permettant de contrôler le nombre d’impulsions. L’alignement des faisceaux laser est obtenu suivant la technique de caractérisation spatiale du faisceau (section 2.4 chapitre II). L’irradiation de l’aluminium a été effectuée dans les mêmes conditions expérimentales (avec une fluence laser de 0.2 J/cm² et 1000 impulsions) en faisant simplement varier le temps entre les impulsions pompe-sonde. Différents impacts laser ont été effectués dans les conditions expérimentales exposées précédemment. La figure 5.2 montre les images MEB des différents impacts réalisés par des impulsions pompe-sonde en faisant varier le délai entre deux impulsions de 0s à 100 ps, l’irradiation à été réalisé avec une fluence de 0.2 J/cm² et 1000 impulsions. Ces images montrent donc l’évolution des LIPSS sur la surface d’aluminium en fonction de la variation du délai entre deux impulsions. Les LIPSS sont perpendiculaires au champ électrique incident (en double flèche) et leur période varie entre 1 et 2µ m. Dans la littérature, ces structures sont nommées les « grooves », leur polarisation est parallèle au champ électrique [BMS05]. Dans une plage de temps allant de 0fs à 100 ps, nous constatons une croissante variation des LIPSS en fonction du délai entre deux impulsions pompe-sonde, cette variation montre trois plages différentes d’évolution des LIPSS : la première plage entre 0s à 20ps, connait une augmentation des LIPSS en fonction de l’augmentation du délai. Dans la seconde plage, les LIPSS deviennent importantes autour de 20 ps, la surface irradiée est quasiment couverte par les LIPSS. La dernière plage montre une décroissance des LIPSS sur la surface irradiée pour des délais supérieurs à 20 ps. L’efficacité des impulsions pompe-sonde est donc manifeste pour certains délais.

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