Academic literature on the topic 'Laser structuration'

Il a été montré récemment (Mazur et al, Harvard University) qu'un moyen simple d'améliorer le rendement des cellules solaires photovoltaïques actuelles pouvait être obtenu en irradiant la structure du silicium avec des impulsions laser femtoseconde en présence d'un gaz sulfuré (SF6). Cette irradiation entraîne la formation de micro-structures érigées (spikes) sur la surface. Celle ci devient ainsi fortement absorbante au rayonnement solaire (black silicon). Le travail effectué durant cette thèse a porté sur plusieurs points. Dans un premier temps une étude complète a été menée sur les différents paramètres expérimentaux permettant la création de ces micro-structures à la surface du silicium. Parallèlement, des séries d'expériences ont été menées pour permettre la compréhension des mécanismes physiques entraînant leur formation. Par la suite, les surfaces de silicium micro-structurées ont été caractérisées optiquement. Les résultats obtenus permettent d'avoir une absorption de 96 % du silicium dans les spectre UV et visible. Des cellules solaires complètes ont été réalisées afin d'en caractériser électriquement les performances<br>It was shown recently (Mazur et al, Harvard University) a simple way to improve the performance of photovoltaic solar cells could be obtained by irradiating the surface of silicon with femtosecond laser pulses in a sulfide gas atmoshere (SF6). This irradiation causes the formation of micro-structures (spikes) on the surface becomes highly absorbent to solar radiation (black silicon). The work done during this thesis focused on several points. Initially a comprehensive study has been conducted on different experimental setting allowing the creation of these micro-structure on the surface of silicon. Parallel series of experiments were conducted to help understand the physical mechanism leading to their formation. Subsequently, the surfaces of silicon micro-structured were characterized optically. The results obtained allow to have an absorption of 96% silicon in the UV and visible. Complete solar cells were made in order to electrically characterized perform

Le développement de l’internet des objets et des services de vidéo en temps réel (streaming) a conduit à une augmentation continue du trafic des données au sein des data-centers. Celui-ci devrait être multiplié par trois entre 2012 et 2020 pour atteindre 15.3 zettaoctets/an. Cette évolution appelle parallèlement à un accroissement des performances des composants télécom en transmission optique monomode dont le standard s’établit aujourd’hui à 100-200 Gbits/s pour évoluer vers 400-800 Gbits/s dans un futur proche. Bien que les cœurs de technologies semiconducteurs soient aujourd’hui disponibles pour répondre à cette demande, les coûts élevés d’assemblage des puces électroniques (EIC) et photoniques (PIC) ainsi que l’alignement avec les fibres optiques monomodes limitent la pénétration de cette solution technologique sur le marché. Afin de relever ce défi, une structure originale d’interposeur en verre a été proposée dans le cadre du laboratoire commun IEMN-STMicroelectronics. Ce substrat d’assemblage en verre présente des avantages distinctifs majeurs tels que i) l'alignement passif de la fibre externe, ii) l'alignement optique passif du PIC sur l'interposeur, iii) le transfert des fonctions optiques passives du PIC sur l'interposeur de verre et iv) une approche conservative réutilisant les coupleurs à réseau du PIC.Le contexte du packaging électro-optique étant posé, ce travail de thèse s’est concentré sur la fonctionnalisation de substrats de verre par photo-inscription ou micro-usinage laser en régime femtoseconde afin de structurer les guides d’onde optique, les miroirs de redirection du faisceau guidé et la couche de redistribution électrique en cuivre. En premier lieu, des guides optiques monomodes à 1310 nm de bonne qualité ont été obtenus et caractérisés, permettant une mise en évidence franche des effets d’absorption non linéaire, d’auto-focalisation et de filamentation. Une étude expérimentale complète a permis de déterminer les paramètres d’exposition laser et de gravure chimique pour la fabrication de miroirs photoniques. Enfin, une méthode originale de structuration des interconnexions basée sur le fractionnement et le décollement de la couche de cuivre par effet thermo-mécanique a été développée<br>The development of the Internet of Things and video streaming services is leadng to a continuous increase in data traffic within data-centers that is expected to increase threefold between 2012 and 2020 reaching 15.3 zettabytes/year. This evolution calls for an increase in performance of telecom components in optical single mode transmission, the standard of which is now 100-200 Gbits/s and will evolve towards 400-800 Gbits/s in the near future. Although the semiconductor technology cores are now available to meet this demand, the high assembly costs of electronic (EIC) and photonic (PIC) integrated circuits as well as the alignment with single-mode optical fibers limit the market penetration of this technological solution. In order to meet the challenge, an original glass interposer structure has been proposed in the framework of the IEMN-STMicroelectronics common laboratory. This glass assembly substrate holds major distinctive advantages such as i) passive alignment of the external fiber, ii) passive optical alignment of the PIC on the interposer, iii) transfer of the passive optical functions of the PIC onto the glass interposer and iv) a conservative approach reusing the PIC grating couplers.With this context associated to electro-optical packaging in mind, this thesis has focused on the functionalization of glass substrates by photo-inscription or laser micromachining in femtosecond regime in order to structure optical waveguides, redirection mirrors and copper electrical redistribution layer. First, good quality 1310 nm single-mode optical guides were obtained and characterized, allowing a clear demonstration of the effects of non-linear absorption, self-focusing and filamentation. A complete experimental study determined the laser exposure and chemical etching parameters for the manufacture of photonic mirrors. Finally, an original method for structuring interconnections based on the fractionation and detachment of the copper layer by thermo-mechanical effect has been developed

L’objectif du présent travail est de développer une nouvelle technologie d’analyse sanguine sans contact. La méthode de texturation par laser femto a été utilisée pour réaliser des géométries de surface ayant des propriétés mouillantes pour favoriser l’étalement du sang. Les cartographies complètes de l'interaction laser-matière ont été construites pour l’acier inoxydable et le verre afin d’identifier les valeurs seuils pour les différents régimes d’interaction. Les paramètres de traitement laser dynamique pour ces matériaux ont été déterminés, en vue de fabriquer des surfaces structurées avec des motifs de différentes tailles. Pour répondre à la demande d’une production de masse à faible coût de surfaces fonctionnelles le concept de transfert des motifs, fabriqués par laser à partir de moules en acier, sur des polymères à été étudié. La réplication des géométries à l'échelle micronique, submicronique et à double échelle a été réalisée avec succès sur la surface du plusieurs centimètres carrés. La mouillabilité en fonction de la taille et du type de structure a été établie et des géométries super-mouillantes ont été identifiées. Des tests de mouillabilité avec du sang humain ont montré une dynamique hémi-wicking avec un étalement partiel. Un étalement total a été enregistrée pour le sang dilué à l'eau, suivi de la formation de monocouches de cellules sanguines. La mouillabilité des structures sur acier, fabriquées principalement pour les tests de réplication en polymères, a également été mesurée. Après la formation de la couche d'oxyde naturelle sur la surface, un angle de contact très élevé avec l'eau a été mesuré (145,7°)<br>The purpose of the present work is to develop a new technology for non-contact blood analysis. Femtosecond pulsed lasers were used to introduce surface geometries that have super-wetting properties for human blood fluid. Complete laser-matter interaction cartographies for stainless steel sample and glass were built to identify threshold values for different regimes. Dynamic laser processing parameters for these materials were determined, in order to fabricate surfaces with desired structures at micro and sub-micron scales, as well as at double scale. To meet the demand of high volume and cost-effective production of super-wetting surfaces, concept of laser fabricated pattern transfer from stainless steel molds to polymers was studied.Successful replication of laser induced micro-scale, sub-micron scale and double scale geometries on surface area in the order of few square centimeters was reported. Wettability as a function of the size and type of surface structures was established. Spreading tests with human blood exhibited hemi-wicking dynamics with partial spreading. A complete wetting was recorded for water diluted blood followed by formation of single layer blood cells. Primarily fabricated for polymer replication tests, wettability of steel mold was also measured. Once natural oxide layer was formed on the surface, ultra-high water contact angle was measured (145.7°)

Le développement actuel de la technologie induit une constante nécessité d'obtenir des tailles de plus en plus petites pouvant descendre jusqu'à des dimensions micrométriques et sub -micrométriques. L'ablation laser, qui a le grand avantage d'un enlèvement de matière très précis, est un candidat prometteur. Dans cette thèse on démontre la faisabilité de tirer avantage des impulsions laser femtosecondes avec la matière pour la micro et nano structuration, et ceci en ayant développé une machine compacte de grande précision et flexibilité. Une approche théorique comparant les régimes d'interaction à haute et basse cadence est présentée. Des investigations de l'efficacité du temps de procédé aussi bien que l'effet de la cadence pendant l'ablation de métaux ont été effectuées. Le potentiel de l'outil multifonctionnel couplé avec un oscillateur laser femtoseconde à haute cadence est montré pour différentes applications en biotechnologie. Les résultats sur la cartographie d'une large zone aussi bien que la nano découpe de précision de tissus biologiques et de matériaux variés sont présentés. Cet outil polyvalent couvre de larges domaines de recherche de la nano découpe d'échantillons biologiques aussi bien que la nanostructuration de différents types de matériaux. C'est d'un grand intérêt pour de nombreuses applications en science des matériaux, nanobiotechnologie et nanomédecine

De nombreuses applications industrielles mettent en évidence l'importance des propriétés de mouillage des surfaces métalliques que ce soit directement pour les propriétés d'écoulement de fluides sur ces surfaces ou indirectement pour leur lien avec les phénomènes d'adhésion. Les travaux de Wenzel (1936) et de Cassie -Baxter (1944) ont montré que cette mouillabilité dépendait à la fois de la tension superficielle du solide mais aussi de sa topographie de surface. Ainsi la maîtrise et l'optimisation de ces propriétés nécessitent le contrôle de ces deux aspects, à l'image de la feuille de lotus dont le caractère super-hydrophobe réside à la fois en la présence d'une cire hydrophobe et d'une rugosité multi-échelle. Ces observations sont à l'origine, cette dernière décennie, du développement des techniques de gravures chimiques pour réaliser des texturations superficielles de matériaux et contrôler leur mouillabilité. Afin de surmonter certaines limitations de ces techniques et privilégier un procédé par voie sèche, nous avons envisagé de structurer la surface d'alliages métalliques de titane, d'aluminium, et de différents aciers inoxydables, au moyen d'un traitement de surface par laser femtoseconde. L'analyse topographique de la surface des matériaux (profilométrie optique, AFM, MEB) en fonction des paramètres d'irradiation du laser comme la densité de puissance laser, le nombre d'impulsions et le décalage latéral du faisceau en configuration balayage, a montré l'efficacité de ce procédé pour générer des texturations multi-échelles. Les différentes morphologies de textures peuvent être associées à des transitions de régimes dans l'interaction laser - matière (ripples, spikes, ...). L'analyse chimique et structurale (DRX, XPS) des surfaces traitées a mis en évidence des modifications microstructurales dues aux effets thermiques du laser ainsi qu'une évolution de l'état chimique de la surface dont les effets sur la mouillabilité sont importants. L'hydrophobie des surfaces métalliques a été considérablement accentuée par le traitement laser. Ces résultats pourront être exploités pour différentes applications industrielles notamment comme moyen de contrôler l'état de surface des moules de plasturgie.

La structuration laser femtoseconde de verres d’oxydes est aujourd’hui un domaine de recherche en pleine expansion. L’interaction laser-matière est de plus en plus utilisée pour sa facilité de mise en œuvre et les nombreuses applications qui découlent de la fabrication des composants photoniques, déjà utilisés dans l’industrie des hautes technologies. En effet, un faisceau d’impulsions ultracourtes focalisé dans un matériau transparent atteint une intensité suffisante pour modifier la matière en trois dimensions sur des échelles micro et nanométriques. Cependant, l’interaction laser-matière à ces régimes d’intensité n’est pas encore complètement maîtrisée, et les matériaux employés ne sont pas entièrement adaptés aux nouvelles applications photoniques. Par ce travail de thèse, nous nous efforçons donc d’apporter des réponses à ces interrogations. Le mémoire est articulé autour de deux grands volets. Le premier aborde la question de l’interaction de surface de verres avec de telles impulsions lumineuses qui mènent à l’auto-organisation périodique de la matière structurée. L’influence du dopage en ions photosensibles et des paramètres d’irradiation est étudiée afin d’appuyer et de conforter le modèle d’incubation pour la formation de nanoréseaux de surface. À travers une approche innovante, nous avons réussi à apporter un contrôle de ces structures nanométriques périodiques pour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée en volume induite en grande partie par l’interaction laser-matière. Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en sel d’argent, ont été étudiées pour comprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d’argent. Ce travail démontre le lien entre la physicochimie de la matrice vitreuse et le caractère hors équilibre thermodynamique de l’interaction qui influence les conditions de nucléation et de croissance de ces nano-objets. Tous ces résultats sont confrontés à des modélisations de la réponse optique du plasmon de surface des nanoparticules métalliques. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvelles approches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l’interaction laser femtoseconde pour l’inscription directe de briques photoniques dans des matrices vitreuses.<br>Three-dimensional femtosecond laser structuring of oxide glasses is a growing research and development area. It is also increasingly used in the high-tech industry thanks to its simple implementation and numerous possible applications emerging from the photonic components manufacturing. Indeed, an ultra-short focused beam in a transparent material reaches a sufficient intensity to 3D modify the material on micrometer or nanometer scale. However, the laser matter interaction regimes at such high intensity are not completely understood, and the materials already used are not perfectly adapted for new photonic applications. This research aims to provide answers to those open questions. This thesis is divided into two main parts. The first one addresses the issue of the glass surface interaction with ultrashort pulses which leads to self-organized periodic structures. The influence of photosensitive doping ions and irradiation parameters are studied to support and strengthen the incubation model for nanograting surface formation. This study allows the control of these periodic nanoscale structures for further applications. The second part deals with localized volume crystallization induced by laser material interaction. Several glassy matrices with various silver oxide doping have been synthesized to understand the mechanisms of silver nanoparticle precipitation. This work demonstrates the link between the physical chemistry of the glass and the non-equilibrium thermodynamic state during laser interaction to influence nucleation and growth conditions of these nano-objects. The results are compared to models that describe the optical response of plasmonic behavior. Finally, this research opens on new approaches and many prospects for applications and understandings of femtosecond direct laser writing of novel photonic bricks.

Cette thèse porte sur les simulations numériques de l’interaction laser avec des matériaux poreux. Une possibilité de traitement bien contrôlé est particulièrement importante pour la microstructuration laser du verre poreux et le nano-usinage de matériaux poreux semiconducteurs en présence de nanoparticules métalliques. La modélisation auto-cohérente se concentre donc sur une étude détaillée des processus impliqués. En particulier, pour comprendre les structures des micro-vides périodiques produits à l’intérieur du verre poreux par des impulsions laser femtoseconde, une analyse thermodynamique numérique détaillée a été réalisée. Les résultats des calculs montrent la possibilité de contrôler le micro-usinage laser en volume de SiO2 . De plus, les dimensions des structures densifiées par laser sont examinées pour différentes conditions de focalisation à de faibles énergies d’impulsion. Les dimensions caractéristiques obtenues à partir des structures sont corrélées avec les résultats expérimentaux. Comparés au verre poreux, les films mésoporeux TiO2 chargés d’ions Ag et de nanoparticules supportent des ré- sonances plasmoniques localisées. Les films nanocomposites obtenus sont capables de transférer des électrons libres et d’absorber l’énergie laser de manière résonnante, offrant des possibilités supplémentaires pour contrôler la taille des nanoparticules d’Ag. Pour identifier les paramètres optimaux du laser à onde continue, un modèle multi-physique prenant en compte la croissance des nanoparticules d’Ag, photo-oxydation, réduction a été développé. Les simulations réalisées montrent que la vitesse d’écriture laser contrôle la taille des nanoparticules d’Ag. Les calculs ont également représenté une nouvelle vision selon laquelle les nanoparticules d’Ag se développent devant le centre du faisceau laser du fait de la diffusion de chaleur. Il a été démontré que la croissance rapide activée thermiquement suivie d’une photo-oxydation est la principale raison du changement de taille et de température en fonction de la vitesse d’écriture. Un modèle tridimensionnel a été développé et reproduit les lignes écrites au laser. L’écriture de films mésoporeux TiO2 chargés de nanoparticules d’Ag par un laser pulsé promet également d’offrir des possibilités supplémentaires dans la génération de deux types de nanostructures: les rainures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) et les nanogratings Ag à l’intérieur du film TiO2 . Pour mieux comprendre les effets d’un laser pulsé, deux modèles multiimpulsions - un semi-analytique et un autre basé sur une méthode par éléments finis (FEM) - sont développés pour simuler la croissance des nanoparticules d’Ag. Le modèle FEM s’avère précis car il traite mieux la diffusion de la chaleur à l’intérieur des films minces TiO2 . Le modèle pourrait être étendu à l’avenir pour comprendre la formation de nanogratings LIPSS et Ag dans de tels milieux en les couplant avec les migrations de nanoparticules, la fusion de surface et l’hydrodynamique.Les résultats obtenus ont ouvert de nouvelles perspectives sur le microtraitement laser des matériaux poreux et un meilleur contrôle laser sur la nanostructuration dans les films semiconducteurs poreux chargés de nanoparticules métalliques<br>This thesis is focused on numerical simulations of the laser interaction with porous materials. A possibility of well-controlled processing is particularly important for the laser based micro-structuring of porous glass and nano-machining of semiconducting porous materials in the presence of metallic nanoparticles. The self-consistent modeling is, therefore, focused on a detailed investigation of the involved processes. Particularly, to understand the periodic micro-void structures produced inside porous glass by femtosecond laser pulses, a detailed numerical thermodynamic analysis was performed. The calculation results show the possibility to control laser micro-machining in volume of SiO2 . Furthermore, the dimensions of laser-densified structures are examined for different focusing conditions at low pulse energies. The obtained characteristic dimensions of the structures correlate with the experimental results. Comparing to the porous glass, the mesoporous TiO2 films loaded by Ag ions and nanoparticles support localized plasmon resonances. The resulted nanocomposite films are capable to transfer free electrons and to resonantly absorb laser energy providing additional possibilities in controlling Ag nanoparticle size.To identify the optimum parameters of the continuous-wave laser, a multi-physical model considering Ag nanoparticle growth, photo-oxidation, reduction was developed. The performed simulations show that the laser writing speed controls the Ag nanoparticles size. The calculations also depicted a novel view that Ag nanoparticles grow ahead of the laser beam center due to the heat diffusion. The thermally activated fast growth followed by the photo-oxidation was found to be the main reason for the writing speed dependent sizechange and temperature rises. A three-dimensional model was developed and reproduced the laser written lines.Writing of mesoporous TiO2 films loaded with Ag nanoparticles by a pulsed laser is, furthermore, promising to provide additional possibilities in the generation of two kinds of nanostructures: laser induced periodic surface grooves (LIPSS) and Ag nanogratingsinside the TiO2 film. To better understand the effects of a pulsed laser, two multi-pulses models - one semi-analytic and another one based on a finite element method (FEM) are developed to simulate the Ag nanoparticle growth. The FEM model is shown to be precise because it better treats heat diffusion inside the TiO2 thin films. The model could be extended in future to understand the formation of LIPSS and Ag nanogratings in such media by coupling with nanoparticle migrations, surface melting and hydrodynamics. The obtained results provided new insights into laser micro-processing of porous material and better laser controlling over nanostructuring in porous semiconducting films loaded with metallic nanoparticles

La photo-isomérisation de l’azopolymère cause des mouvements de masse permettant d'inscrire des figures d'interférences à la surface de films minces. Les films sont répliqués sur un substrat en PDMS transparente t étirable. Il forme des réseaux de phase. Les figures de diffraction décrivent les surfaces, elles sont utilisées pour modéliser numériquement les réseaux, quelles que soient les contraintes.Le projet WOLF vise à fabriquer des nano lasers blancs à colorants organiques. Un montage complexe de caractérisation est développé. Le module d’excitation permet d’illuminer les nanotubes un à un. Le pompage tente de maximiser l’émission laser d’un unique nano objet. La collection du signal repose pricipalement sur l’utilisation d’une fibre optique ouvrant la porte de la microscopie confocale. La spectroscopie associée au montage révèle la formation de cavités au sein des nano bâtonnets organiques. Malgré la faible puissance du signal, les modes sont étudiés,mettant en évidence des nano-cavités. Les nano-objets sont parfois étudiés dans des liquide. La micro-fluidique est développée au laboratoire. Sans salle blanche une méthode photolithographique est développée à bas coûts. Les puces nouvellement créées sont testées dans le mélange de deux fluides et lors de la caractérisation de nanoparticules en suspension par leur mouvement Brownien. Cette thèse à permis de mettre en place les outils d’observation de nano-objets uniques<br>Azopolymer photo-isomerization causes matter motion. This phenomena is responsible for the inscription of the interference pattern on surface of thin films. The films are replicated by pouring PDMS on it. PDMS is a transparent and stretchable polymer. The diffraction pattern of these gratings describes the surface. These informations are used to numerically simulate the surface irrespective of the mechanical constraints.The WOLF project try to synthetize white lightorganic nanolasers. For that purpose, a complex setup has been realised. The excitation part of the setup illuminates a single nano-laser or a few. The pump source is designed to optimise the amplified emission of the nanolasers. The collection of the signal is based on an optical fiber.This fibre has given us the chance to use confocal microscopy. Spectroscopy combined with our setup show the existence of nanocavities among nanotubes. In spite of the low signal power, the emitting modes are studied and show the cavity effect of these lasers. In another context, nano-objets are sometimes studied in solution. For that reason, a new experiment has been setup, namely, microfluidic. Without the use of a clean room, a low cost photolithograpic method is developped. The microfluidic chips are tested during the mixing of to liquids and during the obsevation of the brownian motion of particules. This PhD thesis has given the tools needed for the characterization of single nano-objects

Les structures périodiques induites par laser sont étudiées depuis plusieurs années et sont présentes sur des matériaux très variés : métaux, verres, céramiques, matériaux cristallins, semi-conducteurs. Elles sont un phénomène générique mais elles ont leurs particularités pour chaque type de matériau. La plupart des modèles développés n’expliquent qu’une partie des résultats et ne s’étendent pas à tous les types de matériaux. Les modèles se basent généralement sur l’hypothèse d’une interférence du laser avec une onde créée subséquemment; elle peut être d’origine plasmonique si le matériau le permet. Ce mémoire a pour but de présenter les résultats de l’interaction d’un laser femtoseconde avec des verres de chalcogénure, en fonction des différents paramètres du laser.<br>Laser induced periodic surfaces structures have been the subject of studies for many years and are present on very different materials: metals, glasses, ceramics, crystalline materials, semiconductors. They are a generic phenomenon but each material has its distinctive features. The majority of the models developed only explain part of the results and do not extend over to all types of materials. They are generally based on the hypothesis of interference from the laser with a wave created subsequently; they can be of plasmonic nature if the material allows it. The purpose of this report is to present the results of femtosecond laser interaction with chalcogenide glasses, as a function of the various laser parameters.