CHAPITRE 4 APPROCHE SCIENTIFIQUE ET MOTIVATIONS
4.3 Améliorer le traitement laser ultrarapide par la focalisation d’un double faisceau
Comme expliqué à la section 1.1.2, une préoccupation importante dans la fabrication des dispositifs est que les aberrations optiques ainsi que la dépendance des propriétés des guides d’ondes avec la profondeur d’écriture laser limitent la standardisation du procéder et ainsi la production massive, ce qui est un élément crucial pour prendre part à l’énorme marché des téléphones mobiles. Ce problème altère entre autres les conditions de couplage sur la facette de l’écran, ce qui peut être problématique lors de la superposition de plusieurs dispositifs.
Les aberrations chromatique et sphérique sont des phénomènes très connus au niveau de la focalisation à l’aide d’une lentille. Lorsque la lumière est focalisée dans un milieu homogène (c’est la plupart des cas en microscopie où le milieu est l’air ou une huile d’immersion), ces aberrations peuvent facilement être contournées à l’aide d’un système de lentilles achromatique. Cependant, pour le traitement laser en profondeur, lorsque le milieu passe de l’air au verre par exemple, des aberrations additionnelles se produisent en fonction de la longueur d’onde du laser
ainsi que la profondeur d’écriture. Théoriquement, un système de lentilles précisément motorisées avec retour d’information (feedback) de la profondeur pourrait compenser ces aberrations, mais n’a jamais été réalisé, à la connaissance de l’auteur, probablement dû au coût de fabrication ou à l’impossibilité de fabrication à l’aide des technologies actuelles. Notons que, contrairement à la lumière blanche, un laser est centré sur une longueur d’onde, ce qui rend les aberrations sphériques beaucoup plus importantes que celles chromatiques.
Afin de résoudre ce problème, les recherches de l’auteur ont abouti vers une solution utilisant la focalisation par une seule lentille de deux fins faisceaux laser fs cohérents et équidistants de l’axe optique de la lentille [171]. La nouvelle technique, nommée la Dual-Beam (DB) technique, est décrite en détail dans l’Article 3. Puisque la totalité de la puissance laser traverse la lentille à une distance unique de l’axe optique, la nouvelle technique DB diminue drastiquement toutes aberrations. En effet, les aberrations sphériques générées par une lentille sont dues au fait que la lumière traverse la lentille à différentes distances du centre. De plus, lorsqu’un laser traverse une lentille à différentes distances du centre, la lumière entre par la suite dans un matériel (à traiter par laser) avec différents angles, ce qui génère des aberrations additionnelles. Ces aberrations ont entre autre comme effet d’agrandir le volume focal, et cet effet néfaste augment avec la profondeur d’écriture laser. Ces effets sont simulés à la Figure 7-3 et démontrés expérimentalement à la Figure 7-6 de l’Article 3 (chapitre 7).
Après la constatation expérimentale que la nouvelle technique DB éliminait les aberrations optiques et la dépendance de l’écriture laser avec la profondeur, l’auteur s’est interrogé sur les autres problèmes de focalisation laser fs tous domaines confondus. Huit importants phénomènes problématiques ainsi que leurs effets néfastes sont présentés au Tableau 3-2. À la grande surprise de l’auteur, la nouvelle technique DB améliore (si n’élimine pas) tous ces huit problèmes simultanément.
L’Article 3 est un long article détaillé qui explique chacun de ces phénomènes, présente les résultats expérimentaux qui prouvent l’amélioration de chacun des problèmes et présente des simulations qui aident à la compréhension. Ces détails ne seront pas retranscrits ici. Un phénomène important, notamment pour la chirurgie laser, sera tout de même discuté ici plus en détail. En raison de la géométrie de la nouvelle technique DB, des effets non-linaires néfastes sont éliminés, telles la génération de supercontinuum et la filamentation due à l’auto-focalisation
(self-focusing) induite par l’effet Kerr. Cet effet Kerr induit un changement d’indice de réfraction Δn temporaire qui est fonction de l’intensité laser I (ΔnKerr ∝ nI). Cette variation d’indice induit
un effet de lentille [120]. Le combat entre la focalisation induite par cet effet de lentille et la défocalisation générée par le plasma induit par les porteurs de charge excités, peut produire un filament de modification structurelle longeant l’axe optique. Notons que la contribution du plasma à l’indice de réfraction est donnée par :
𝛥𝛥𝑛𝑛𝑝𝑝 = − �1 +𝑖𝑖𝑣𝑣𝜔𝜔 �𝑐𝑐 𝜔𝜔𝑝𝑝 2
2(𝜔𝜔2+ 𝑣𝑣 𝑐𝑐2) ,
(4-7)
où 𝑣𝑣𝑐𝑐 est la fréquence de collision inélastique des électrons libres. La fréquence du plasma
𝜔𝜔p2 = 𝑒𝑒2𝑛𝑛𝑒𝑒/𝑚𝑚𝑒𝑒𝜀𝜀0 est liée à la densité électronique 𝑛𝑛𝑒𝑒, à la masse 𝑚𝑚𝑒𝑒 et la charge e des électrons.
Ces effets non-linéaires sont très complexes. Particulièrement, la génération de supercontinuum (aussi appelée génération de lumière blanche puisqu’à l’aide d’une simple couleur on peut générer toutes les couleurs, i.e. le blanc) n’est pas totalement comprise avec précision. En fait, plusieurs effets non-linéaires peuvent entrer en jeux simultanément pour former un supercontinuum et l’influence de ces effets peut varier en fonction du matériau ainsi que des conditions du traitement laser. Parmi ces effets non-linéaires, on retrouve les processus de mixage de fréquences, telles la génération de seconde harmonique, de troisième harmonique, le mélange à quatre ondes et les processus de diffusions inélastiques, telle la diffusion Raman, qui est l’interaction avec les phonons (ondes vibrationnelles) du matériau, etc. Un effet non-linéaire étant souvent très important dans la génération d’un supercontinuum est l’automodulation de phase (self-phase modulation, SPM), qui peut créer un élargissement spectral [113, 172-174].
Ces résultats de l’Article 3 sont d’intérêts entre autres pour la chirurgie laser fs de cellules, de tissus organiques [64] et ophthalmiques [175]. En fait, la filamentation réduit la qualité des scissions chirurgicales et blesse les tissus sains à l’extérieur du point focal, alors que cette perturbation étendue diminue la qualité visuelle de l’œil après traitement laser [175]. Enfin, il est important de mentionner que lors de chirurgies de l’œil, le traitement laser fs dans l’infrarouge peut générer une lumière visible (supercontinuum), et altère ainsi les exigences de sécurité rétinal [161], étant plus sensible à la lumière visible, en particulier le vert. La nouvelle technique laser est d’un grand intérêt puisqu’elle élimine la génération de supercontinuum.