Femtosecond Laser Interaction and Nanostructuring – FELINS

Interaction et nanostructuration laser femtoseconde (FELINS). Inscription laser dans des matériaux en 3D et 2D à l’échelle nanométrique jusqu’au micromètre par photochimie pour des applications photoniques.
Les lasers femtosecondes sont de plus en plus utilisés dans les procédés liés à la conception des matériaux. De nombreux avantages font des lasers femtosecondes un outil unique pour la recherche et les nouveaux procédés de fabrication. Ce procédé est rapide et peu couteux, avec un minimum d’étapes intermédiaires et une faible préparation de l’échantillon. En effet, la forte intensité et l’interaction non-linéaire avec ces impulsions courtes permet de déposer localement en 3D l’énergie dans les matériaux beaucoup plus rapidement que par des processus thermiques. La résolution spatiale peut être plus petite que 500 nanomètres, comme nous l’avons démontré récemment.
Jusqu’à maintenant, les procédés de fabrication utilisant la technologie d’impulsions ultra-courtes ont été mis en place sur des chaines de production uniquement pour le perçage et la soudure (réalisation d’injecteurs chez BMW). En ce qui concerne l’ingénierie des matériaux optiques innovants, de nombreux groupes de recherche utilisent des impulsions lasers ultra-courtes pour modifier les matériaux existant souvent peu appropriés. Cela limite le champ d’applications pour un développement industriel. Quelques équipes commencent à travailler sur la photochimie de matériaux adaptés au procédé (L. Glebov, UCF USA), (HIRAO, Kyoto Univ. Japan), (T. HONNA and T. KOMATSU, Nagaoka Univ., Japan), (H. Jain, Lehigh Univ. USA).
La difficulté principale est de créer une synergie entre les compétences liées à l’interaction laser-matière et les sciences des matériaux. Nous proposons de rassembler dans un consortium toutes les expertises en chimie et en physique pour aboutir.
Dans ce projet, nous voulons développer le procédé de structuration des matériaux par laser ultra-court ainsi que les verres photosensibles adaptés, de façon à fabriquer des structures photoniques. Pour les applications photoniques (guides d’onde photoniques, optique intégrée, commutateurs optiques, holographie, stockage de données en 3D, capteurs…), il est nécessaire de contrôler la structuration des matériaux à l’échelle du nanomètre et du micromètre, et surtout à l’échelle intermédiaire, correspondant à une centaine de nanomètres, tout en conservant une bonne qualité optique. Les verres pour l’optique présentent peu de pertes et offrent la possibilité d’adapter facilement leur composition pour une application spécifique. Ce sont aussi des matériaux parfaitement adaptés pour la conception de matériaux optiques composites (vitro-céramiques) et de nouvelles compositions doivent être élaborées.
Notre objectif dans ce projet est de présenter et définir un nouveau procédé pour élaborer des matériaux multi-échelles pour l’optique. L’inscription directe avec des lasers impulsionnels ultra-courts associée à des verres photosensibles spécifiques nous permettra une structuration à l’échelle nanométrique, mésométrique (100 nm) et micrométrique. Cette approche mixte, à la fois ascendante (assemblage nanobrique par nanobrique) et descendante (du matériau massif vers la structuration nanométrique), mènera à une rupture technologique dans la structuration en 2D et 3D des matériaux pour des applications en photonique.