Ablation laser femtoseconde de verres métalliques de Cu_x Zr_(1−x) : une étude par dynamique moléculaire

L’ablation laser de verres métalliques de CuxZr1−x (x = 0.33, 0.50 et 0.67) et d’un alliage métallique cristallin de CuZr2 dans la structure C11b a été étudiée par dynamique moléculaire (DM) combinée à un modèle à deux températures (TTM). Le seuil d’ablation (Fth) a été déterminé pour chacun des 4 échantillons et s'est avéré plus bas pour les échantillons plus riches en Cu étant donné que la cohésion du Cu est plus faible que celle du Zr dans tous les échantillons. Pour x=0.33, Fth est plus bas pour le cristal que pour l’amorphe car le couplage électron-phonon est plus faible dans ce dernier, ce qui implique que l’énergie est transférée plus lentement du système électronique vers le système ionique pour le a-CuZr2 que le c-CuZr2. La vitesse de l’onde de pression créée par l’impact du laser croît avec la fluence dans l’échantillon cristallin, contrairement aux échantillons amorphes dans lesquels sa vitesse moyenne est relativement constante avec la fluence. Ceci est expliqué par le fait que le module de cisaillement croît avec la pression pour le cristal, ce qui n’est pas le cas pour les verres métalliques étudiés. Finalement, la zone affectée par la chaleur (HAZ) a été étudiée via la profondeur de fusion et les déformations plastiques. La plus faible température de fusion des échantillons amorphes implique que la profondeur de fusion est plus importante dans ceux-ci que dans l’échantillon cristallin. Dans les verres métalliques, les déformations plastiques ont été identifiées sous forme de zones de transformation par cisaillement (STZ) qui diffusent et fusionnent à plus haute fluence. Aucune déformation plastique importante n’a été identifiée dans le c-CuZr2 mis à part de légères déformations près du front de fusion causées par les contraintes résiduelles. Ce travail a ainsi permis d’améliorer notre compréhension de l’ablation laser sur les verres métalliques et de l’étendue des dommages qu’elle peut entraîner.

Étude des mécanismes d'ablation laser par impulsions ultra-courtes à l'aide de la dynamique moléculaire

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude des mécanismes d'ablation laser par impulsions ultra-courtes à l'aide de la dynamique moléculaire

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Étude par dynamique moléculaire de l'ablation par impulsions laser ultrabrèves de cibles nanocristallines

L’ablation de cibles d’Al nanocristallines (taille moyenne des cristallites d = 3,1 et 6,2 nm) par impulsions laser ultrabrèves (200 fs) a été étudiée par l’entremise de si- mulations combinant la dynamique moléculaire et le modèle à deux températures (two- temperature model, TTM) pour des fluences absorbées allant de 100 à 1300 J/m2. Nos simulations emploient un potentiel d’interaction de type EAM et les propriétés électro- niques des cibles en lien avec le TTM sont représentées par un modèle réaliste possédant une forme distincte dans le solide monocristallin, le solide nanocristallin et le liquide. Nous avons considéré l’effet de la taille moyenne des cristallites de même que celui de la porosité et nous avons procédé à une comparaison directe avec des cibles mono- cristallines. Nous avons pu montrer que le seuil d’ablation des métaux nanocristallins est significativement plus bas, se situant à 400 J/m2 plutôt qu’à 600 J/m2 dans le cas des cibles monocristallines, l’écart étant principalement dû à l’onde mécanique plus im- portante présente lors de l’ablation. Leur seuil de spallation de la face arrière est aussi significativement plus bas de par la résistance à la tension plus faible (5,40 GPa contre 7,24 GPa) des cibles nanocristallines. Il est aussi apparu que les contraintes résiduelles accompagnant généralement l’ablation laser sont absentes lors de l’ablation de cibles d’aluminium nanocristallines puisque la croissance cristalline leur permet d’abaisser leur volume spécifique. Nos résultats indiquent aussi que le seuil de fusion des cibles nano- cristallines est réduit de façon marquée dans ces cibles ce qui s’explique par la plus faible énergie de cohésion inhérente à ces matériaux. Nos simulations permettent de montrer que les propriétés structurelles et électroniques propres aux métaux nanocristallins ont toutes deux un impact important sur l’ablation.

Measurement of laser ablation threshold on doped BiSrCaCuO high temperature superconductors by the pulsed photothermal deflection technique

Laser‐induced damage and ablation thresholds of bulk superconducting samples of Bi2(SrCa)xCu3Oy(x=2, 2.2, 2.6, 2.8, 3) and Bi1.6 (Pb)xSr2Ca2Cu3 Oy (x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) for irradiation with a 1.06 μm beam from a Nd‐YAG laser have been determined as a function of x by the pulsed photothermal deflection technique. The threshold values of power density for ablation as well as damage are found to increase with increasing values of x in both systems while in the Pb‐doped system the threshold values decrease above a specific value of x, coinciding with the point at which the Tc also begins to fall.  

Laser-induced Bessel beams can realize fast all-optical switching in gold nanosol prepared by pulsed laser ablation

We demonstrate the possibility of realizing, all-optical switching in gold nanosol. Two overlapping laser beams are used for this purpose, due to which a low-power beam passing collinear to a high-power beam will undergo cross phase modulation and thereby distort the spatial profile. This is taken to advantage for performing logic operations. We have also measured the threshold pump power to obtain a NOT gate and the minimum response time of the device. Contrary to the general notion that the response time of thermal effects used in this application is of the order of milliseconds, we prove that short pump pulses can result in fast switching. Different combinations of beam splitters and combiners will lead to the formation of other logic functions too.

Étude critique de la densité électronique et des températures (excitation et ionisation) d'un plasma d'aluminium induit par laser

La caractérisation de matériaux par spectroscopie optique d’émission d’un plasma induit par laser (LIPS) suscite un intérêt qui ne va que s’amplifiant, et dont les applications se multiplient. L’objectif de ce mémoire est de vérifier l’influence du choix des raies spectrales sur certaines mesures du plasma, soit la densité électronique et la température d’excitation des atomes neutres et ionisés une fois, ainsi que la température d’ionisation. Nos mesures sont intégrées spatialement et résolues temporellement, ce qui est typique des conditions opératoires du LIPS, et nous avons utilisé pour nos travaux des cibles binaires d’aluminium contenant des éléments à l’état de trace (Al-Fe et Al-Mg). Premièrement, nous avons mesuré la densité électronique à l’aide de l’élargissement Stark de raies de plusieurs espèces (Al II, Fe II, Mg II, Fe I, Mg I, Halpha). Nous avons observé que les densités absolues avaient un comportement temporel différent en fonction de l’espèce. Les raies ioniques donnent des densités électroniques systématiquement plus élevées (jusqu’à 50 % à 200 ns après l’allumage du plasma), et décroissent plus rapidement que les densités issues des raies neutres. Par ailleurs, les densités obtenues par les éléments traces Fe et Mg sont moindres que les densités obtenues par l’observation de la raie communément utilisée Al II à 281,618 nm. Nous avons parallèlement étudié la densité électronique déterminée à l’aide de la raie de l’hydrogène Halpha, et la densité électronique ainsi obtenue a un comportement temporel similaire à celle obtenue par la raie Al II à 281,618 nm. Les deux espèces partagent probablement la même distribution spatiale à l’intérieur du plasma. Finalement, nous avons mesuré la température d’excitation du fer (neutre et ionisé, à l’état de trace dans nos cibles), ainsi que la température d’ionisation, à l’aide de diagrammes de Boltzmann et de Saha-Boltzmann, respectivement. À l’instar de travaux antérieurs (Barthélémy et al., 2005), il nous est apparu que les différentes températures convergeaient vers une température unique (considérant nos incertitudes) après 2-3 microsecondes. Les différentes températures mesurées de 0 à 2 microsecondes ne se recoupent pas, ce qui pourrait s’expliquer soit par un écart à l’équilibre thermodynamique local, soit en considérant un plasma inhomogène où la distribution des éléments dans la plume n’est pas similaire d’un élément à l’autre, les espèces énergétiques se retrouvant au cœur du plasma, plus chaud, alors que les espèces de moindre énergie se retrouvant principalement en périphérie.

Space and time characterization of laser-induced plasmas for applications in chemical analysis and thin film deposition

Après des décennies de développement, l'ablation laser est devenue une technique importante pour un grand nombre d'applications telles que le dépôt de couches minces, la synthèse de nanoparticules, le micro-usinage, l’analyse chimique, etc. Des études expérimentales ainsi que théoriques ont été menées pour comprendre les mécanismes physiques fondamentaux mis en jeu pendant l'ablation et pour déterminer l’effet de la longueur d'onde, de la durée d'impulsion, de la nature de gaz ambiant et du matériau de la cible. La présente thèse décrit et examine l'importance relative des mécanismes physiques qui influencent les caractéristiques des plasmas d’aluminium induits par laser. Le cadre général de cette recherche forme une étude approfondie de l'interaction entre la dynamique de la plume-plasma et l’atmosphère gazeuse dans laquelle elle se développe. Ceci a été réalisé par imagerie résolue temporellement et spatialement de la plume du plasma en termes d'intensité spectrale, de densité électronique et de température d'excitation dans différentes atmosphères de gaz inertes tel que l’Ar et l’He et réactifs tel que le N2 et ce à des pressions s’étendant de 10‾7 Torr (vide) jusqu’à 760 Torr (pression atmosphérique). Nos résultats montrent que l'intensité d'émission de plasma dépend généralement de la nature de gaz et qu’elle est fortement affectée par sa pression. En outre, pour un délai temporel donné par rapport à l'impulsion laser, la densité électronique ainsi que la température augmentent avec la pression de gaz, ce qui peut être attribué au confinement inertiel du plasma. De plus, on observe que la densité électronique est maximale à proximité de la surface de la cible où le laser est focalisé et qu’elle diminue en s’éloignant (axialement et radialement) de cette position. Malgré la variation axiale importante de la température le long du plasma, on trouve que sa variation radiale est négligeable. La densité électronique et la température ont été trouvées maximales lorsque le gaz est de l’argon et minimales pour l’hélium, tandis que les valeurs sont intermédiaires dans le cas de l’azote. Ceci tient surtout aux propriétés physiques et chimiques du gaz telles que la masse des espèces, leur énergie d'excitation et d'ionisation, la conductivité thermique et la réactivité chimique. L'expansion de la plume du plasma a été étudiée par imagerie résolue spatio-temporellement. Les résultats montrent que la nature de gaz n’affecte pas la dynamique de la plume pour des pressions inférieures à 20 Torr et pour un délai temporel inférieur à 200 ns. Cependant, pour des pressions supérieures à 20 Torr, l'effet de la nature du gaz devient important et la plume la plus courte est obtenue lorsque la masse des espèces du gaz est élevée et lorsque sa conductivité thermique est relativement faible. Ces résultats sont confirmés par la mesure de temps de vol de l’ion Al+ émettant à 281,6 nm. D’autre part, on trouve que la vitesse de propagation des ions d’aluminium est bien définie juste après l’ablation et près de la surface de la cible. Toutefois, pour un délai temporel important, les ions, en traversant la plume, se thermalisent grâce aux collisions avec les espèces du plasma et du gaz.

Effect of ambient gas on the expansion dynamics of plasma plume formed by laser blow off of thin film

A study has been carried out to understand the influence of ambient gases on the dynamics of laser-blow-off plumes of multi-layered LiF–C thin film. Plume images at various time intervals ranging from 100 to 3000 ns have been recorded using an intensified CCD camera. Enhancement in the plume intensity and change in size and shape occurs on introducing ambient gases and these changes are highly dependent on the nature and composition of the ambient gas used. Velocity of the plume was found to be higher in helium ambient whereas intensity enhancement is greater in argon environment. The plume shapes have maximum size at 10−2 and 10−1 Torr of Ar and He pressures, respectively. As the background pressure increases further (>10−2 Torr: depending on the nature of gas), the plume gets compressed/focused in the lateral direction. Internal structure formation and turbulences are observed at higher pressures (>10−1 Torr) in both ambient gases.

Evaluation of hollow fiberoptic tips for the conduction of Er : YAG laser

Objective: The use of Er:YAG laser operating in the 3 μm range with adjustable power and pulses has become popular for dental and medical practice due to its high photoablative capacity, surgical precision and antimicrobial action. Background data: The existing fiberoptic tips irradiate lasers parallel to the long axes of the tooth limiting its efficiency in the root canal. Methods: We evaluated hollow fiberoptic tips obtained from silicate glass as a means of Er:YAG laser conduction in dental procedures. The fiber tips were molded from capillary tubes with different profiles so that their ends would have cylindric, conical or spherical shapes. The performance of the three fibers as a means of propagation of Er:YAG (λ = 2.94 μm) laser radiation was compared to that of a solid sapphire fiber at 10 Hz and 200 mJ and of 20 Hz and 500 mJ. The profiles of frontal and lateral burning were visualized on thermal paper. Results: Analysis of these profiles demonstrated that the sapphire tip and the hollow fiber of cylindric section did not differ significantly in the profiles of frontal burning, and no lateral burning was detected. The fibers of the conical and spherical sections, although presenting attenuation in the frontal output power, showed a larger burning area in the frontal profile, in addition to producing lateral burning. Conclusions: The results indicate that commercial hollow fiberoptics have advantages such as easy manufacture of the different tip shapes, great adaptability, low cost, and a low loss of transmission. © Mary Ann Liebert, Inc.

Femtosecond Laser in Polymeric Materials: Microfabrication of Doped Structures and Micromachining

The use of laser light to modify the material's surface or bulk as well as to induce changes in the volume through a chemical reaction has received great attention in the last few years, due to the possibility of tailoring the material's properties aiming at technological applications. Here, we report on recent progress of microstructuring and microfabrication in polymeric materials by using femtosecond lasers. In the first part, we describe how polymeric materials' micromachining, either on the surface or bulk, can be employed to change their optical and chemical properties promising for fabricating waveguides, resonators, and self-cleaning surfaces. In the second part, we discuss how two-photon absorption polymerization can be used to fabricate active microstructures by doping the basic resin with molecules presenting biological and optical properties of interest. Such microstructures can be used to fabricate devices with applications in optics, such as microLED, waveguides, and also in medicine, such as scaffolds for tissue growth.

Ortsaufgelöster Nachweis von Elementspuren mittels Laserablation und Resonanzionisations-Massenspektrometrie und Untersuchungen zur Laserablations-Dynamik

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode für einen empfindlichen und isotopenselektiven Elementnachweis entwickelt. Unter Einsatz von Laserablation geschieht der Probenaufschluß direkt und mit einer Ortsauflösung von unter 30 m. Hierzu wurde ein hochauflösendes MALDI-TOF-Massenspektrometer, welches üblicherweise für biochemische Fragestellungen eingesetzt wird, mit einem spektroskopischen Aufbau zur resonanten Ionisation von Elementgehalten modifiziert. Die Methode ist somit insbesondere für die Untersuchung von Elementspuren in Festkörperproben mit mikroskopischer Struktur konzipiert. Methodische Entwicklungsarbeiten wurden anhand des Elements Gadolinium durchgeführt. Durch die Verwendung gepulster Farbstofflaser stehen ausreichend hohe Laserfelder zur Verfügung, um unabhängig von Hyperfeinstruktur und Isotopieverschiebung Übergänge aller Isotope im Rahmen des Resonanzionisations-Verfahrens zu sättigen. Darauf konnte eine Isotopenverhältnisanalyse mit einer Genauigkeit im Prozentbereich verwirklicht werden. Verschiedene Anregungsleitern wurden untersucht, und mit elementspezifischen Resonanzüberhöhungen bis zu zwei Größenordnungen über dem nicht-resonant gebildeten Untergrund konnte eine Nachweiseffizienz von über 10-4 (entsprechend sub-fg/g-Niveau) erzielt werden. Dazu wurden Simulationsrechnungen zum atomaren Sättigungsverhalten in starken resonanten Laserfeldern durchgeführt. Erste Anwendungen des Laserablationsverfahrens waren Proben kosmologischer Herkunft. Der physikalische Prozeß der Laserablation bei Metallen wurde unter Hochvakuum-Bedingung systematisch in Abhängigkeit der Laserfluenz untersucht. In der ablatierten Plasmaphase erwies sich der Neutralanteil als besonders geeignet für geschwindigkeitsselektive Laserionisations-Messungen. Eine bimodale Struktur wurde beobachtet, bestehend aus einer thermischen und einer schockwellen-induzierten Komponente. Der ionische Anteil der ablatierten Dampfphase konnte über variable elektrische Feldpulse untersucht werden. Laserablation unter Atmosphärenbedingung wurde an einem beschichteten Messingtarget untersucht. Dabei wurde die Entstehung von permanenten Oberflächenstrukturen beobachtet, welche sich durch Nichtgleichgewichts-Prozesse in der Dampfphase erklären lassen.

Raman-active wurtzite CdO nanophase and phonon signatures in CdO/ZnO heterostructures fabricated by nonequilibrium laser plasma ablation and stress control

A combination of laser plasma ablation and strain control in CdO/ZnO heterostructures is used to produce and stabilize a metastable wurtzite CdO nanophase. According to the Raman selection rules, this nanophase is Raman-active whereas the thermodynamically preferred rocksalt phase is inactive. The wurtzite-specific and thickness/strain-dependent Raman fingerprints and phonon modes are identified and can be used for reliable and inexpensive nanophase detection. The wurtzite nanophase formation is also confirmed by x-ray diffractometry. The demonstrated ability of the metastable phase and phonon mode control in CdO/ZnO heterostructures is promising for the development of next-generation light emitting sources and exciton-based laser diodes.