Space-time study of energy deposition with intense infrared laser pulses for controlled modification inside silicon

Analyse spatio-temporelle du dépôt d'énergie par laser infrarouge intense pour la modification contrôlée du silicium

Margaux Chanal (1)

1 LP3 - Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés photoniques

The modification of bulk-silicon is realized today with infrared nanosecond lasers. However, the regime of interest for controlled modifications inside transparent materials is femtosecond pulses. Today, there is no demonstration of permanent modification in bulk-Si with ultra-short laser pulses (100 fs). To increase our knowledge on the interaction between femtosecond lasers and silicon, we have developed ultra-fast infrared microscopy experiments. First, we characterize the microplasma confined inside the bulk, being the generation of free-carriers under nonlinear ionization processes, followed by the complete relaxation of the material. These results, combined with the reconstruction of the beam propagation inside silicon, demonstrate that the energy deposition is strongly limited by nonlinear absorption and propagation effects. This analysis has been confirmed by a numerical model simulating the nonlinear propagation of the femtosecond pulse. The understanding of this clamping has allowed us to develop new experimental arrangements, leading to the modification of the bulk of Si with short pulses.

La modification du silicium dans son volume est possible aujourd’hui avec des lasers infrarouge nanosecondes. Néanmoins, le régime d’intérêt pour la modification contrôlée en volume des matériaux transparents correspond aux impulsions femtosecondes. Cependant, aujourd’hui aucune démonstration de modification permanente du volume du Si n’a été réalisée avec une impulsion ultra-brève (100 fs). Pour infirmer ce résultat, nous avons développé des méthodes de microscopie infrarouge ultra-rapides. Tout d’abord, nous étudions le microplasma confiné dans le volume, caractérisé par la génération de porteurs libres par ionisation nonlinéaire du silicium, suivie de la relaxation totale du matériau. Ces observations, couplées à la reconstruction de la propagation du faisceau dans le matériau, démontrent un dépôt d’énergie d’amplitude fortement limitée par des effets nonlinéaires d’absorption et de propagation. Cette analyse a été confirmée par un modèle numérique simulant la propagation nonlinéaire du faisceau femtoseconde. La compréhension de cette limitation a permis de développer de nouvelles configurations expérimentales grâce auxquelles l’endommagement local et permanent du volume du silicium a pu être initié en régime d’impulsions courtes.

Mots clés: Simulations

Mots clés: Laser; Infrarouge; Silicium; Endommagement; Non linéaire

Domaines: Optique / photonique

Margaux Chanal. Space-time study of energy deposition with intense infrared laser pulses for controlled modification inside silicon. Optics / Photonic. Aix Marseille Université, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01730217⟩