Caractérisation et morphologie des cônes

Dans un premier temps, il est nécessaire de caractériser la morphologie des cratères formés. En effet, les deux critères morphologiques importants du cône sont la profondeur et la hauteur du rebond généré en périphérie (dû au fluage de la matière). Nous avons présenté dans le chapitre2 les différents moyens de caractérisation disponibles. Pour me-surer le rebond périphérique, la mesure par profilométrie optique est adaptée et précise.

Cependant, la pente des cratères (environ 30 degrés) étant trop importante, il n’est pas possible de reconstruire la forme complète du cratère sans utiliser un objectif avec un champ de mesure réduit, ce qui rend le temps de mesure très long. Le profilomètre mé-canique (présenté dans la partie 2.3.2 du chapitre 2), avec une dynamique de mesure de 1 mm, permet de reconstruire la forme globale du cône. Sa résolution n’est cependant pas suffisante pour caractériser les rebonds périphériques. L’imagerie de phase quantitative permet d’atteindre les performances recherchées mais est limitée dans la configuration utilisée aux cônes dont la profondeur est inférieure à 300 µm. L’exemple de cratère pré-senté dans la partie précédente a été caractérisé par cette méthode, dont le profil global est représenté sur la figure 4.24 (a). Ici, la profondeur du cône est de 250 µm avec un rebond en périphérie d’environ 150 nm (figure 4.24 (b))

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

Figure 4.24 – (a) Profil extrait de la mesure présentée sur la figure 4.23. (b) zoom de la partie encadrée en pointillés noirs.

Ces moyens de caractérisation permettent d’étudier l’influence des paramètres d’irra-diations sur la morphologie des structures coniques. Au cours de ces travaux de thèse, quelques études paramétriques ont été menées pour déterminer les paramètres d’irradia-tions optimaux à l’obtention de cratères adaptés à nos besoins. L’objectif est de former des cônes de diamètre 2 et 3 mm dont la profondeur est comprise entre 250 et 400 µm en limitant la hauteur des rebonds périphériques. On estime qu’une hauteur inférieure à 150 nm est correcte à partir des résultats sur l’impact de la hauteur du rebond qui seront présentés dans la partie 4.4.1 de ce chapitre.

∆

Figure 4.25 – Tableau présentant les étapes d’une étude paramétrique pour trouver les paramètres optimaux d’irradiation. Le cratère initial de la première ligne est appelé

"Procédé 0".

Une de ces études permettant l’optimisation des paramètres est résumée et schématisée dans le tableau4.25. Ici, nous faisons varier la vitesse de déplacement du laser v, la durée d’impulsionP W, l’écart entre deux cercles concentriques ∆, la puissance du laserP_laser en ayant fixé le diamètre du côneD= 2 mm et la période entre deux impulsionsP P = 2 ms.

On mesure ensuite la profondeur du cône (en µm) et la hauteur du rebond périphérique

(en nm). Notons que ces valeurs expérimentales sont données à plus ou moins 10% (barre d’erreur de mesure, fluctuations pendant le procédé). A partir d’un premier cône (que l’on appelle "Procédé 0") dont la profondeur est correcte mais avec un rebond qui ne l’est pas, nous avons suivi les étapes suivantes :

— Étape 1 : l’augmentation d’un facteur deux de la vitesse divise par deux le rebond et la profondeur du cône.

— Étape 2 :l’application d’une puissance supérieure permet d’obtenir une profondeur correcte en diminuant le rebond : à ces puissances on ablate la silice en limitant le fluage de matière.

— Étape 3 : la durée d’impulsion a été réduite pour diminuer le fluage de matière et le rebond. Cependant dans ce cas, la profondeur est trop faible.

— Étape 4 : la diminution de la vitesse permet d’augmenter la profondeur du cône.

Cependant, les tirs se cumulent sur une même portion de silice, ce qui implique un fluage de la matière important. Une vitesse minimale semble indispensable.

— Étape 5 : si l’on diminue l’écart entre deux cercles concentriques, on obtient logi-quement un cratère dont la profondeur est plus grande en augmentant légèrement la hauteur du rebond.

— Étape 6 : il est possible d’atteindre une profondeur de cône de 400 µm avec un rebond de 150 nm si l’on utilise la puissance maximale disponible de notre laser.

Le tableau 4.1 présente les procédés optimaux obtenus, ainsi que leurs paramètres, que nous détaillerons dans la partie 4.4.1 de ce chapitre. Notons que la période entre deux impulsionsP P vaut 2 ms pour tous ces procédés. En effet, nous avons effectué des simulations montrant que cette période est appropriée pour éviter le cumul de chaleur entre deux impulsions au cours du déplacement. La figure 4.26 présente un exemple de résultat de calcul pour lequel nous avons simulé le déplacement d’un faisceau avec les paramètres d’irradiations suivants : Plaser = 82,5 W, PW = 100 µs et v = 20 mm/s. Les 40 premières impulsions ont été simulées (figure 4.26 (a)). A la fin de chaque impulsion, la température atteinte est quasiment identique (aux alentours de 5500 K). Les légères différences sont dues aux fluctuations numériques essentiellement dues à la distribution des mailles. De plus, la partie (b) de la figure montre que la température entre deux impulsions est également identique (il en faut environ une dizaine de millisecondes pour que la silice atteigne une température stable)

0 20 40 60 80 1000

2000 3000 4000 5000 6000

Température maximale (K)

Durée (ms)

0 20 40

1000 2000 3000

Température maximale (K)

Durée (ms)

Figure 4.26 – (a) Température maximale atteinte sur l’échantillon de silice en fonction du temps au cours du déplacement du faisceau. (b) est un zoom du tracé sur la partie basse des résultats au cours des 20 premières impulsions

Table 4.1 – Paramètres d’irradiation pour les différents procédés : le procédé 1 est une combinaison de deux irradiations sucessives avec un diamètre pour le deuxième cône plus faible (D = 1,7 mm) que le premier (D = 2 mm).

Procédé D v PW ∆ Plaser

(mm) (mm/s) (µs) (µm) (W)

0 2 10 200 60 53

1 2 20 100 60 75

1.7 20 100 40 75

2 2 20 100 30 82

3 3 20 100 40 82

4 3 35 100 29 82