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Ablation laser
L’ablation laser est un processus dans lequel une forte énergie délivrée par un faisceau laser est envoyée sur la surface d’un échantillon cible afin de retirer de la matière. C’est une technique d’échantillonnage et d’éjection de la matière induite par un faisceau laser [20, 21]. L’interaction du faisceau laser avec la surface de la matière fait intervenir plusieurs phénomènes physiques : thermique, mécanique… Ils dépendent de différents paramètres : les paramètres liés au laser (longueur d’onde, durée d’impulsion, énergie, fréquence…), les paramètres physico chimiques de l’échantillon ciblé (coefficient d’absorption, température de fusion, température de vaporisation, diffusion thermique, conductivité thermique, état de surface…) et les paramètres de l’environnement ambiant dans lequel se déroule cette ablation [22, 23]. L’interaction d’un faisceau laser d’énergie suffisamment intense, de forme et de taille contrôlée, avec la surface d’un échantillon, aboutit à la formation d’un cratère, conséquence de la quantité de matière retirée ou plutôt ablatée.
Propriétés d’un faisceau laser
Par définition, le mot LASER signifie Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplification de la Lumière par Emission Stimulée du Rayonnement). Un laser est un oscillateur optique basé sur l’émission stimulée de la lumière, différente de l’émission spontanée classique. Bien que le principe d’émission stimulée ait été décrit pour la première fois par Einstein en 1917, le premier laser a vu le jour en 1960. Au fil des années, cette invention est passée de l’état d’un simple appareil de laboratoire à un outil irremplaçable pour diverses applications et dans différents domaines.
Un faisceau laser présente plusieurs caractéristiques qui rendent son utilisation, comme source de lumière, particulièrement intéressante [24-26]. En quelques mots, les principales caractéristiques du laser sont :
-la directivité : le faisceau laser est constitué de photons de même direction qui sont émis dans l’axe de la cavité du laser. Sa divergence est très faible mais non nulle (généralement de l’ordre de 1 mrad).
-la monochromaticité : c’est la caractéristique que possède un faisceau laser, d’émettre une lumière à une longueur d’onde ou une fréquence bien déterminée.
-la cohérence : les photons émis par la source laser ne sont pas distinguables. Ils ont la même phase, même polarisation, même direction. La cohérence de la lumière laser est à la fois spatiale et temporelle.
Les modèles et les types de laser disponibles actuellement sont nombreux. Ils ont des caractéristiques différentes en termes de milieu actif, longueur d’onde, durée d’impulsion (pour les lasers impulsionnels), fréquence de tir… La technique d’ablation laser a commencé avec l’invention du laser lui-même [27]. Cette technique n’a cessé de se développer au cours du temps, et a été mise en œuvre dans de nombreux domaines : analyse chimique, géologie, biologie, médecine, science des matériaux, industrie…[28, 29].
Interaction laser-matière
Les lasers peuvent être utilisés dans deux modes de fonctionnement : continu et impulsionnel. Le mode continu délivre une intensité du laser constante en fonction de temps. En mode impulsionnel, le faisceau laser est délivré sur un temps court et à une fréquence constante. La durée d’impulsion notée ? s’étend sur une durée allant de la microseconde à la femtoseconde. Parmi les paramètres influençant l’interaction laser-matière, la durée d’impulsion ? est l’un des plus importants. Nous allons présenter les différentes étapes d’interaction laser-matière, pour un échantillon métallique, avec deux durées d’impulsion classiquement utilisées, une courte impulsion nanoseconde et une ultra-courte impulsion femtoseconde.
Régime nanoseconde
Lorsqu’un faisceau laser de durée d’impulsion de quelques nanosecondes est focalisé sur la surface d’un échantillon métallique, l’interaction laser-métal peut être considérée comme un processus à dominance thermique. Les différentes étapes qui se succèdent sont les suivantes :
❖ Absorption du rayonnement laser
La première étape qui intervient lors de l’ablation laser est l’absorption du rayonnement laser par l’échantillon. Il s’agit de l’interaction d’une onde électromagnétique avec un solide. Une partie du faisceau laser est réfléchie, le reste est absorbé par le matériau. Les photons absorbés par la surface entrent en interaction d’une part avec les électrons (photon-électron) et d’autre part avec les atomes du réseau (photon-réseau ou photon-phonon). L’interaction photonréseau est considérée comme négligeable car la masse des atomes du réseau est beaucoup plus importante que celle des électrons. L’interaction électron-électron se déroule en 10⁻¹² à 10⁻¹³ secondes alors que l’interaction électron-réseau se fait pendant environ 10 picosecondes (c’est le temps de relaxation électron-réseau). Les photons sont principalement absorbés par les électrons qui sont fortement accélérés et passent à l’état excité. Après excitation, une partie de leur énergie est émise sous forme de radiation alors que l’autre partie est transférée à leur entourage : électrons voisins et atomes constituants le réseau.
❖ Chauffage de la surface de l’échantillon
Le transfert de l’énergie des électrons aux atomes du réseau augmente la température de ce dernier. L’échantillon commence à chauffer. L’évolution spatiale et temporelle de la température dépend des paramètres optiques et thermiques de l’échantillon. Les paramètres optiques déterminent la distribution spatiale du dépôt de l’énergie absorbée alors que les paramètres thermiques décrivent l’évolution de la température de chauffage.
❖ Evaporation et éjection de la matière.
Lorsque la température de chauffage de l’échantillon devient égale ou supérieure à sa température de fusion, un changement de phase se produit. La zone de l’échantillon endessous du rayonnement laser commence à fondre et un bain liquide se forme. Si l’intensité du faisceau laser déposée sur la surface est suffisante, une deuxième étape suit la fusion, c’est la vaporisation du bain liquide. La matière fondue est alors éjectée de la surface de l’échantillon sous forme de vapeur à haute température. Cette vapeur est formée d’atomes neutres, d’ions du matériau et d’électrons libres issus de cet échantillon. Cependant, la matière ablatée peut renfermer des gouttelettes liquides et même des fragments solides dus à une vaporisation incomplète de l’échantillon. Les électrons libres présents dans la vapeur sont nommés électrons primaires. Si l’énergie du laser est suffisamment importante, ces électrons primaires entrent en interaction avec le rayonnement électromagnétique du laser et absorbent les photons incidents. Ceci aboutit à la formation d’un plasma dont l’initiation dépend principalement du nombre d’électrons primaires présents dans la vapeur. Le plasma est à la base des analyses de spectroscopie d’émission sur plasma induit par laser LIBS (acronyme anglais pour Laser Induced Breakdown Spectroscopy). Après la fin de l’impulsion laser, le plasma commence à refroidir. Le refroidissement de plasma cause la désexcitation des atomes et des ions y présents. La LIBS permet l’analyse chimique élémentaire des échantillons par détection des raies d’émission optiques caractéristiques des atomes et des ions présents dans le plasma.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Etude bibliographique
Partie I : Rappels et généralités
Partie II : Etude bibliographique
II. Ablation laser
II.1 Propriétés d’un faisceau laser
II.2 Interaction laser-matière
II.3 Mécanismes de formation de particules
II.4 Ablation laser couplée à la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ALICPMS) : avantages et inconvénients
III. Microscopie à balayage de pointe (SPM)
III.1 Microscope à effet tunnel (STM)
III.2 Microscope à force atomique (AFM)
IV. Couplage de l’AL avec la microscopie optique en champ proche
IV.1 Principe de l’ablation laser en champ proche
IV.2. Principe de l’ablation laser en champ proche en mode « aperture »
IV.3. Principe de l’ablation laser en champ proche en mode « apertureless »
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre II : Instrumentation et Expérimentation
I. Instrumentation
I.1 Laser
I.2 Microscope à force atomique : AFM
I.3 Spectromètre de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS)
II. Expérimentation
II.1 Dispositif optique
II.2 Pointes AFM
II.3 Echantillons testés
II.4 Mode de fonctionnement de l’AFM utilisé
II.5 Méthodologie expérimentale
Conclusion
Références Bibliographiques
Chapitre III : Modélisation de l’ablation laser en champ proche
I. Amplification du champ électrique du laser par une pointe
I.1 Influence de la nature de la pointe
I.2 Influence de la nature du substrat
I.3 Influence de la longueur d’onde
II. Modélisation de la température du chauffage laser
II.1 Distribution temporelle de la température de chauffage laser
II.2 Distribution radiale de la température de chauffage laser
II.3 Distribution en profondeur de la température de chauffage laser
II.4 Influence de la durée d’impulsion sur la distribution de température de chauffage en champ proche
II.5 Influence du coefficient d’absorption des matériaux sur la distribution de température de chauffage en champ proche
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre IV : Caractérisation de l’ablation laser en champ proche
I. Estimation du seuil d’ablation des matériaux d’intérêt
II. Etude multiparamétrique de l’ablation laser en champ proche
II.1 Influence des paramètres de la pointe sur la résolution latérale
II.2 Influence de la fréquence du laser et de la vitesse de balayage de la pointe sur la distribution des cratères
II.3 Influence de la fluence du laser et de la distance pointe-échantillon sur les dimensions des cratères et sur la quantité de matière ablatée
II.4 Influence du nombre de tirs laser sur les dimensions des cratères et sur la quantité de matière ablatée
II.5 Influence de la longueur d’onde du laser
Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion
