Control of energy deposition in dielectrics by femtosecond Bessel beams : spatio-temporal plasma density and applications to glass stealth dicing.
Contrôle du dépôt d'énergie par laser femtoseconde dans les diélectriques par faisceaux de Bessel : profil spatio-temporel de densité plasma et applications au clivage du verre.
Résumé
The use of ultrashort pulses for laser ablation allows for a precise energy deposition thanks to a highly confined laser-matter interaction. The non-linear effects causing this confinement are also usually responsible of beam profile distorsions along propagation and intensity instabilities. High cone angle Bessel beams have shown to be excellent candidates for dielectrics processing since they are robust to non-linear effects. In femtosecond regime, they are able to generate in single shot high aspect ratio nanochannels in transparent media. However the ablation dynamics and the coupling with the laser-induced plasma remain partially unclear in this case. The current model describing such interaction is uncompatible with experimental observations. This thesis investigates the laser-plasma interaction and follows two axes of work. First part is focused on the laser-plasma interaction characterization in transparent media and in the case of femtosecond Bessel beam, by developping and exploiting an interferometric pump-probe experiment. We measure the plasma dynamics through the plasma-related complex refraction index modifications, which we resolve in space and time. Preliminary results show a confined plasma (radius < 1 µm) in the transverse direction and whose density approaches the critical density for a pulse energy approaching the nanochannel formation threshold. In a second part, we investigate the effect of aligned nanochannels on the fracture ability of glass samples and its application to glass cleaving. Here we solve two limiting problems to high quality cleaving by spatial beam shape engineering: we demonstrate a signification improvement of 150 µm-thin glass cleaving by the use of elliptical-core Bessel beams; and we establish a proof of principle of 10 mm-thick glass single-pass cleaving thanks to a 3 axicons-based setup.
L'utilisation d'impulsions ultrabrèves pour l'usinage laser permet une grande précision du dépôt d'énergie grâce à un fort confinement de l'interaction laser-matière. Les effets non-linéaires liés à ce confinement sont aussi usuellement responsables de distorsions et d'instabilités dans le profil d'intensité lors de la propagation. Les faisceaux de Bessel à hauts angles coniques ont démontré être très performants pour l'usinage des diélectriques grâce à leur robustesse aux effets non-linéaires. En régime femtoseconde, ils permettent alors de générer dans les milieux transparents des nanocanaux à haut rapport de forme par tirs uniques dans les milieux transparents. Cependant la dynamique d'ablation et le couplage de l'impulsion avec le plasma induit sont encore peu compris dans ce cadre, et le modèle courant les décrivant reste incompatible avec les observations expérimentales. Cette thèse a pour objectif d'étudier cette interaction et se divise en deux axes de travail. Le premier axe porte sur la caractérisation de l'interaction laser-matière dans les milieux transparents pour le cas des faisceaux de Bessel femtoseconde grâce au développement et à l'exploitation d'une expérience pompe-sonde interférométrique. Nous mesurons la dynamique du plasma via les modifications d'indice de réfraction qu'il induit, résolues dans le temps et l'espace. Les résultats préliminaires obtenus montrent que le plasma est confiné dans un rayon inférieur à un micron et que la densité du plasma approche de la densité critique pour une énergie proche du seuil de formation de nanocanaux. Dans un second axe, nous travaillons sur l'effet d'un alignement de nanocanaux sur la fracture d'échantillons de verre et les applications des faisceaux de Bessel pour le clivage du verre. Nous levons ici deux limites principales concernant la qualité de fracture, en optimisant le profil spatial du faisceau. Nous montrons que l'utilisation de faisceaux de Bessel elliptiques améliore considérablement la qualité de clivage pour les plaques de verre minces (150 µm), et nous établissons une preuve de principe de clivage du verre de grande épaisseur (10 mm) en un seul passage sous le laser grâce à l'utilisation d'un dispositif composé de 3 axicons.
Origine : Version validée par le jury (STAR)