Contrôle de la FiLAMentation et de la génération de plasma avec les impulsions non-diffractantes femtoseconde en régime nonlinéaire. Applications à la NANO-structuration laser à ultra haut rapport de forme. – NANOFLAM

Le but de ce projet est de mener des études expérimentales, théoriques et numériques sur la propagation non-linéaire d’impulsions femtoseconde en faisceaux non-diffractants dans les diélectriques et son application à l’ablation laser à ultra-haut rapport de forme. L’étude des propriétés fondamentales et des applications des faisceaux non-diffractants en optique est un sujet vers lequel se porte une attention prodigieuse à l’échelle internationale, avec des articles apparaissant régulièrement dans des revues comme Science, Nature, Nature Photonics, etc... Des applications spécifiques de ces faisceaux ont montré qu’ils peuvent induire des filaments optiques fortement localisés et à haute intensité, associés à la génération de canaux plasma possédant une stabilité et des longueurs inégalées.

En 2009-2010, les partenaires de ce projet ont réalisé des travaux de recherche ayant pour but de mettre à profit ces propriétés uniques pour les appliquer à l’ablation par laser femtoseconde. Notre but a été d’introduire une approche fondamentalement nouvelle pour contrôler l’interaction laser-matière, avec pour objectif la réalisation de composants nanophotoniques. Les résultats préparatoires obtenus à l’échelle micro et nanométrique ont démontré une réelle rupture technologique en matière de micro et nano-usinage grâce aux faisceaux non diffractants. Ceci a permis la réalisation, avec une unique impulsion laser, de nano-canaux de 200 à 800 nm de diamètre dont le rapport d’aspect, jusqu’à 100 excède largement l’état de l’art en nano-fabrication. Un contrôle très accru des structures générées a également été démontré.

L’objectif principal de ce projet est de porter ce travail bien au delà des preuves de principes, en développant un programme de recherche coordonné, portant sur des aspects fondamentaux des faisceaux non-diffractants et de leurs applications.

D’un point de vue fondamental, ce projet permettra de développer une compréhension détaillée des mécanismes physiques sous-jacents à la propagation non-linéaire et au transport d’énergie à ces échelles, tandis que d’un point de vue appliqué, il aboutira au développement d’une approche innovante de nano-structuration à haut rapport de forme des diélectriques pour des applications à la nanofluidique ou aux cristaux photoniques.

Pour cela, un dispositif expérimental de génération et caractérisation spatio-temporelle des faisceaux de Bessel et d’Airy sera réalisé. Un travail original théorique et de simulation numérique sera développé pour obtenir un modèle prédictif de la propagation non-linéaire, de la génération de plasma et de la dynamique du matériau, sur des distances de propagation entre 100 µm et plusieurs mm. Ceci sera développé en conjonction avec des investigations expérimentales de la stabilité et l’instabilité des régimes nonlinéaires. Les effets d’interfaces seront spécifiquement étudiés numériquement et expérimentalement. L’étude de la relaxation du plasma, du dépôt d’énergie et de la dynamique des matériaux permettra d’élaborer des stratégies de contrôle de la génération de plasma et d’ablation. Cette approche sera mise en pratique pour l’étude et la réalisation de nano-canaux à très haut rapport de forme (1000).

De par la rupture scientifique qu’il propose, nous attendons un impact significatif de ce projet non seulement dans les domaines de l’optique non-linéaire et du micro/nano-fabrication par laser femtoseconde, mais aussi dans le domaine de la génération de plasma par laser et son large champ d’applications.