Generation and detection of diffracted picosecond acoustic fields through three-dimensional elasto-optic interaction
Génération et détection par couplage élasto-optique tridimensionnel de champs acoustiques picosecondes diffractés
Résumé
The absorption of a laser pulse creates a localized heating, followed by a sudden dilatation. Thereby, an acoustic field of several tens of gigahertz can be launched. This optical method is applied to microelectronics to characterise nanometric films non-destructively and without contact, but also to more fondamental fields. Until now, the lateral size of the laser spot was very large compared to the films thicknesses. Thus, generation was one-dimensional, and only acoustic plane waves could be engendered. Recently, the use of focused laser sources has allowed the generation of three-dimensional (3D) diffracted acoustic fields.
When pulses shorter than a picosecond are absorbed in metals, a macroscopic approach is not relevant anymore. It is then necessary to describe the microscopic evolutions implied in the generation process. Thus, a semi-analytical method based on a 3D two-temperature model is developed in the first part of this thesis to describe the electronic phenomena. While propagating, the divergent acoustic field modulates the optical indices in time and space through the elasto-optic interaction. The light propagation is thereby perturbed, and its measurement allows the characterization of the acoustic propagation. In the second part of this thesis, the 3D interaction of the Gaussian laser pulse with the diffracted acoustic field is therefore modeled.
When pulses shorter than a picosecond are absorbed in metals, a macroscopic approach is not relevant anymore. It is then necessary to describe the microscopic evolutions implied in the generation process. Thus, a semi-analytical method based on a 3D two-temperature model is developed in the first part of this thesis to describe the electronic phenomena. While propagating, the divergent acoustic field modulates the optical indices in time and space through the elasto-optic interaction. The light propagation is thereby perturbed, and its measurement allows the characterization of the acoustic propagation. In the second part of this thesis, the 3D interaction of the Gaussian laser pulse with the diffracted acoustic field is therefore modeled.
L'absorption d'une impulsion laser crée un échauffement localisé suivi d'une brusque dilatation. Dès lors, un champ acoustique de plusieurs dizaines de gigahertz peut être généré. Cette méthode optique sans contact et non destructive possède des applications en micro-électronique pour la caractérisation de structures nanométriques, mais également dans des domaines plus fondamentaux. Jusqu'à présent, la dimension latérale de la tache focale des impulsions laser était très grande devant l'épaisseur des films considérés. Dès lors, la génération était unidimensionnelle et seules des ondes acoustiques planes pouvaient être engendrées. Récemment, l'utilisation de sources laser focalisées a permis de générer par diffraction des champs acoustiques tridimensionnels (3D).
Lorsque des impulsions d'une durée inférieure à la picoseconde sont employées dans les métaux, une approche macroscopique n'est plus suffisante. Il est alors nécessaire d'expliciter les évolutions microscopiques impliquées dans le processus de génération. Ainsi, une méthode semi-analytique basée sur un modèle à deux températures 3D est développée dans la première partie de ce mémoire afin de décrire les phénomènes électroniques. En se propageant, l'onde acoustique divergente module l'indice optique en temps et en espace par couplage élasto-optique. La propagation de la lumière est alors perturbée, et sa mesure permet de caractériser la propagation acoustique. Dans la seconde partie de ce mémoire, l'interaction 3D de l'impulsion laser gaussienne avec le champ acoustique diffracté est donc modélisée.
Lorsque des impulsions d'une durée inférieure à la picoseconde sont employées dans les métaux, une approche macroscopique n'est plus suffisante. Il est alors nécessaire d'expliciter les évolutions microscopiques impliquées dans le processus de génération. Ainsi, une méthode semi-analytique basée sur un modèle à deux températures 3D est développée dans la première partie de ce mémoire afin de décrire les phénomènes électroniques. En se propageant, l'onde acoustique divergente module l'indice optique en temps et en espace par couplage élasto-optique. La propagation de la lumière est alors perturbée, et sa mesure permet de caractériser la propagation acoustique. Dans la seconde partie de ce mémoire, l'interaction 3D de l'impulsion laser gaussienne avec le champ acoustique diffracté est donc modélisée.
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