Structuration 1D et 2D de matériaux diélectriques par ablation laser nanoseconde : applications aux couches minces et monocristaux de LiNbO3 et couches minces de TiO2
Abstract
Micro and nano structuring of materials constitutes a field of very promising research and development whose success will make it possible to carry out very important progress of photonic technology. From the material point of view, the use of dielectrics such as LiNbO3 or TiO2, which have specific properties different from those of the semiconductors, is likely to widen the performances of the photonic components to be developed. Moreover, the utilization of these materials in the form of thin layers makes it possible to release from limitations imposed by the bulk materials. In this work, we were interested in the realization of µ-structures 1D and 2D by using nanosecond laser ablation of lithium niobate thin layers and monocrystals as well as thin layers of TiO2. LiNbO3 thin films were deposited by RF magnetron sputtering technique on sapphire while TiO2 layers were carried out by using sol-gel method on glass substrates. Ablations were performed with a nanosecond KrF excimer laser (ATLEX 300 IF Model). The ablation of samples was carried out with a mask of 10 µm of diameter. The frequencies applied vary from 10 to 100 Hz and the fluences from 0.3 to 2.3 J/cm2. Structures were observed using optical microscopy functioning in Nomarski mode and analyzed using µ-Raman spectroscopy. We particularly studied the influence of the ablation parameters (number of pulsate, fluence and repetition rate) on the structure features. For example, 5x5 holes gratings were carried out with a constant number of pulse (5pulses) and various values of fluences (0.88 with 2.093J/cm2). Our results showed that the shape of holes and their depth strongly depend on the fluence used. The best results were obtained for high fluences. For the study of the effect of the number of pulse on the ablation process, we realized a 5x5 holes grating with a constant fluence 1.467J/cm2 and a variation of pulse number from 5 to 15. The average rate of ablation decreases with the increase of the pulse number. Note that, before these studies, we studied the optical properties of our thin films by using m-lines spectroscopy. Results showed that our films are monomodes and have optical losses of about 1 dB.cm-1. The final objective of this work is to optimize the experimental ablation process in order to obtain sub-micrometric structures for applications in the field the photonic.
La structuration des matériaux à l'échelle micro et nano métrique constitue un domaine de recherche et développement très prometteur dont le succès permettra de réaliser le saut technologique tant attendu dans le domaine de la photonique. Du point de vue du matériau, l'utilisation des diélectriques de type LiNbO3 ou encore TiO2 qui possèdent des propriétés spécifiques qui différent de ceux des semi-conducteurs est de nature à élargir les performances des composants photoniques à mettre au point. De plus, l'utilisation de ces matériaux sous forme de couches minces permet de s'affranchir des contraintes et des limitations imposées par le cristal massif. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressées à l'étude de la structuration 1D et 2D par ablation laser nanoseconde dans des couches minces et monocristaux de niobate de lithium ainsi que des couches minces de TiO2. Les couches minces de LiNbO3 ont été déposées par pulvérisation cathodique rf magnétron sur saphir tandis que les couches de TiO2 ont été réalisées par voie sol-gel sur des substrats de verre. Les ablations ont été effectuées avec un laser nanoseconde de type KrF excimer (ATLEX 300 SI Model). L'ablation des échantillons a été effectuée avec un masque de 10 µm de diamètre, les fréquences appliquées varient de 10 à 100 Hz et les fluences de 0.3 à 2.3 J/cm2. Les structures ablatées ont été observées et analysées à l'aide de la microscopie optique fonctionnant en mode Nomarski et de la microscopie µ-Raman. Nous avons notamment étudié l'influence des paramètres d'ablation (nombre de pulses, fluence et fréquence de répétition) sur les caractéristiques des structures ablatées. A titre d'exemple, des réseaux de 5×5 trous ont été réalisés avec un nombre de pulse constant (5pulses) et différentes valeurs de fluences (0.88 à 2.093J/cm2). D'après les résultats obtenus, nous avons constaté que la forme des trous ainsi que leur profondeur dépendent fortement de la fluence utilisée. Les meilleurs résultats sont obtenus pour les fluences élevées. Pour l'étude de l'effet du nombre des pulses sur l'ablation des couches, nous avons procédé à la réalisation des réseaux de 5×5 trous avec une fluence constante 1.467J/cm2 et une variation du nombre de pulses de 5 à 15. Le taux moyen d'ablation décroît avec l'accroissement du nombre de pulses. Préalablement à ces études, nous avons étudié les propriétés optiques de nos couches minces en utilisant la spectroscopie des lignes noires. Les résultats ont montré que les couches sont monomodes et possèdent des pertes optiques de l'ordre de 1 dB.cm-1. L'objectif final de ce travail est d'optimiser le processus expérimental d'ablation afin d'obtenir des structures sub-micrométriques pour des applications dans le domaine la photonique.
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