Etude de l’interaction des matériaux à gap avec des lasers femtosecondes en mode rafale GHz

Gap materials interaction with femtosecond lasers in GHz-burst mode

• Auteur / Autrice : Pierre Balage
• Direction : Inka Manek-Hönninger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 19/09/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Balcou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ottavia Jedrkiewicz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Nolte, Razvan Stoian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Diélectriques

Lasers femtoseconde

Interactions laser-matière

Mots clés libres

Interaction laser-Matière

Procédés laser

Rafales GHz

Diélectriques

Semi-conducteurs

Light-matter interaction

Laser processing

GHz-bursts

Dielectrics

Semi-conductors

Résumé

Ces deux dernières décennies, la technologie laser femtoseconde a gagné en maturité et fiabilité. Cette évolution lui a permis d’être mise en œuvre dans de nombreux secteurs industriels pour des applications de micro-usinage de précision pour lesquelles la brièveté de l’impulsion constitue un atout incontestable. Cependant, la pénétration de cette technologie dans l’industrie est freinée par le manque de productivité de ces procédés. En effet, cette productivité est bien en-deçà des attentes industrielles. Plusieurs stratégies sont à l’étude pour lever ce verrou technologique et optimiser la productivité des procédés de transformation de la matière par lasers femtosecondes. L’une de ces stratégies consiste à optimiser le dépôt d’énergie en utilisant des rafales d’impulsions femtosecondes de faible intensité plutôt que des impulsions uniques de haute intensité.De récents travaux ont montré que l’utilisation du régime rafales GHz permettait d’obtenir des efficacités bien supérieures à celle obtenues en régime mono-impulsion classique. Cependant, ces premiers résultats ont été rapidement contestés par d’autres études attestant une efficacité plus faible ainsi que la présence de défauts d’usinage en régime rafale GHz. Afin d’être de dégager un consensus concernant ce nouveau régime d’interaction et d’apporter des données objectives à l’état de l’art, il était nécessaire de mener des études expérimentales approfondies. Pour ce faire, nous avons mené en étroite collaboration avec la société Amplitude des travaux de recherche sur les procédés, tels que le perçage ou la découpe par faisceau de Bessel, en utilisant un laser femtoseconde de puissance moyenne 100 W délivrant des rafales GHz. Cette étude nous a permis d’étudier l’influence des paramètres liés aux rafales et de mener des études comparatives avec les régimes existant (mono-impulsion et rafales MHz). Nous avons également pu mettre en place une expérience pompe-sonde inédite qui nous a permis de révéler le mécanisme d’interaction laser-matière en rafales GHz. Les excellents résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse démontrent la capacité unique des rafales GHz à usiner des matériaux comme les diélectriques et les semi-conducteurs.

Over the past two decades, femtosecond laser technology has become significantly more reliable which has particularly enabled its integration into industry, as the brevity of such pulses allows for high-precision micromachining. However, the adoption of this technology in the industry remains hindered by a lack of productivity. Indeed, the production rate remains well below the ever-evolving industry targets. To address this limitation, several methods are being studied to increase the throughput by optimizing femtosecond laser processes. One approach relies on optimizing the energy deposition by using bursts of low-intensity femtosecond pulses rather than single high-intensity pulses.Recent studies have shown that using GHz-bursts can achieve ablation efficiencies far superior to those obtained with more conventional methods. However, these initial results have been quickly challenged by other studies reporting lower efficiency and the presence of machining defects. To reach a consensus on this new regime, comprehensive experimental studies are needed to add data to the current state of the art. To this end, process studies such as microdrilling experiments and cutting with a Bessel beam have been implemented using a 100 W Amplitude laser delivering GHz-bursts. Close collaboration with the company Amplitude has allowed for investigating numerous burst parameters and conducting comparative studies with existing regimes (single-pulse and MHz-bursts). Moreover, a pump-probe experiment has been set up revealing the laser-matter interaction mechanism in GHz-burst mode. Throughout this thesis work, excellent results have been obtained, demonstrating the unique capability of GHz-bursts for microprocessing materials like dielectrics and semiconductors.