Programmable beam shaping for femtosecond laser-matter interaction
Mise en forme programmable de faisceau laser femtoseconde pour le micro-usinage et la photoinscription de guides d'ondes
Résumé
This work concerns spatial beam shaping of ultrashort pulse lasers, for laser-matter interaction improvement.
The first part presents the conception and the experimental realization of an adaptive optics system, enabling spatial focal spot shaping. This original set-up relies on a liquid-crystal wavefront modulator, used as a programmable phase plate with a high resolution. A precise correction of the phase aberrations is performed : a quasi-flat wavefront is obtained in real-time, and thus a diffraction-limited focal spot. Then, by precisely controlled spatial-phase modulation, programmable beam shaping is performed, matching the arbitrary shapes desired. A wide variety of shapes with a high quality are obtained at the focal point of a lens, with small dimensions (70 µm) : round and square top-hats, doughnut, triangle, rectangle.
In a second part, this set-up is profitably used for femtosecond laser-matter interaction, for which the material is modified essentially in the irradiated zone : surface micro-machining (metals) and micro-structuration in the bulk (transparent dielectrics). Spatial beam shaping makes it possible to perform direct micro-machining of complex shapes, and wavefront correction enables controlled photo-writing of optical waveguides in glass, via refrctive index modification. Subsequent improvement of quality, precision and control is demonstrated, enabling both optimization and extension of femtosecond laser processes.
The first part presents the conception and the experimental realization of an adaptive optics system, enabling spatial focal spot shaping. This original set-up relies on a liquid-crystal wavefront modulator, used as a programmable phase plate with a high resolution. A precise correction of the phase aberrations is performed : a quasi-flat wavefront is obtained in real-time, and thus a diffraction-limited focal spot. Then, by precisely controlled spatial-phase modulation, programmable beam shaping is performed, matching the arbitrary shapes desired. A wide variety of shapes with a high quality are obtained at the focal point of a lens, with small dimensions (70 µm) : round and square top-hats, doughnut, triangle, rectangle.
In a second part, this set-up is profitably used for femtosecond laser-matter interaction, for which the material is modified essentially in the irradiated zone : surface micro-machining (metals) and micro-structuration in the bulk (transparent dielectrics). Spatial beam shaping makes it possible to perform direct micro-machining of complex shapes, and wavefront correction enables controlled photo-writing of optical waveguides in glass, via refrctive index modification. Subsequent improvement of quality, precision and control is demonstrated, enabling both optimization and extension of femtosecond laser processes.
Ce travail de thèse porte sur la mise en forme spatiale de faisceau laser à impulsions ultra-brèves pour l'optimisation des interactions laser-matière.
La première partie de ce mémoire expose la conception et la réalisation d'un système d'optique adaptative permettant la mise en forme spatiale de faisceau au point focal d'une lentille. Ce dispositif original est basé sur un modulateur de front d'onde à cristaux liquides, utilisé comme lame de phase programmable de haute résolution. Une correction fine des aberrations du faisceau est démontrée, de manière à obtenir une surface d'onde quasi-plane en temps réel, et donc un point focal limité par diffraction. Puis, par modulation contrôlée de la phase spatiale, une mise en forme programmable de tache focale est réalisée, suivant une forme de faisceau arbitraire définie par l'utilisateur. Une variété de motifs de grande qualité ont été obtenus au point focal d'une lentille sur des dimensions réduites (70 µm) : top-hat, carré, anneau, triangle, rectangle.
Dans la seconde partie, ce dispositif est mis à profit pour l'interaction laser-matière femtoseconde, où le matériau est modifié essentiellement dans la zone irradiée : micro-usinage en surface (métaux) et micro-structuration en volume (diélectriques transparents).
La mise en forme de faisceau rend accessible l'usinage direct de formes complexes, tandis que la correction de front d'onde permet la photoinscription contrôlée de guides d'ondes via la modification locale d'indice de réfraction. Un gain appréciable de qualité, de précision et de contrôle est démontré, permettant à la fois l'optimisation et l'extension des procédés applicatifs des lasers en régime femtoseconde.
La première partie de ce mémoire expose la conception et la réalisation d'un système d'optique adaptative permettant la mise en forme spatiale de faisceau au point focal d'une lentille. Ce dispositif original est basé sur un modulateur de front d'onde à cristaux liquides, utilisé comme lame de phase programmable de haute résolution. Une correction fine des aberrations du faisceau est démontrée, de manière à obtenir une surface d'onde quasi-plane en temps réel, et donc un point focal limité par diffraction. Puis, par modulation contrôlée de la phase spatiale, une mise en forme programmable de tache focale est réalisée, suivant une forme de faisceau arbitraire définie par l'utilisateur. Une variété de motifs de grande qualité ont été obtenus au point focal d'une lentille sur des dimensions réduites (70 µm) : top-hat, carré, anneau, triangle, rectangle.
Dans la seconde partie, ce dispositif est mis à profit pour l'interaction laser-matière femtoseconde, où le matériau est modifié essentiellement dans la zone irradiée : micro-usinage en surface (métaux) et micro-structuration en volume (diélectriques transparents).
La mise en forme de faisceau rend accessible l'usinage direct de formes complexes, tandis que la correction de front d'onde permet la photoinscription contrôlée de guides d'ondes via la modification locale d'indice de réfraction. Un gain appréciable de qualité, de précision et de contrôle est démontré, permettant à la fois l'optimisation et l'extension des procédés applicatifs des lasers en régime femtoseconde.
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