Discussion

Dans la littérature, plusieurs types de structures sont obtenus par l’exposition au laser femto- seconde. Ces structures sont séparées et catégorisées par deux caractéristiques : l’orientation et la période des structures. L’orientation est déterminée en comparaison à l’orientation de la polarisation du laser femtoseconde. La période est comparée à la longueur d’onde du laser pour la catégoriser. Deux catégories sont utilisées pour regrouper les périodes des structures : Λ  λ et Λ < λ.

Dans la littérature, des expériences sur les diélectriques sont réalisées avec une focalisation extrême ainsi qu’avec une focalisation moins intense. Dans les expériences à haute focalisation, les structures créées sur SiO2 ont une période beaucoup plus petite que la longueur d’onde du

laser et une orientation perpendiculaire [30]. Dans les expériences à focalisation moins intense, on voit deux types de structures selon la fluence incidente. Très près du seuil d’ablation sur SiO2, on voit des structures beaucoup plus petites que la longueur d’onde et d’orientation per-

pendiculaire. Lorsque l’énergie est augmentée suffisamment, on voit apparaître des structures avec une période près de la longueur d’onde du laser et une orientation parallèle [19].

Dans nos expériences avec un laser femtoseconde à 806 nm sur des verres chalcogénures, on obtient des structures avec une période près de la longueur d’onde ainsi que des orientations parallèles et perpendiculaires. Sur les verres de composition vitreuse haute en Soufre, As10S90

et As20S80, on obtient des structures parallèles. On observe aussi des nanotrous sur les struc-

tures induites. À la surface des verres de composition vitreuse As30S70 et As40S60, on obtient

des structures induites d’orientation perpendiculaire ainsi que croisées. Ces structures croisées présentent de l’organisation dans les deux directions habituelles. Les structures croisées laissent subitement la place à des structures perpendiculaires lorsque la fluence augmente au-dessus d’un seuil dépendant de la composition vitreuse.

Dans la littérature, beaucoup d’expérience sur des semi-conducteurs et des métaux sont réali- sées pour explorer le phénomène. Les résultats sont extrêmement clairs, on observe des struc- tures induites par laser qui ont une période similaire à la longueur d’onde du laser et d’une orientation perpendiculaire à la polarisation du laser [36]. Dans nos expériences à 400 nm et 266 nm, on observe des structures perpendiculaires et d’une période très similaire à la longueur d’onde du laser. On obtient aussi des structures croisées dans une région très limitée des ex- positions à 400 nm. Il y a de grandes similarités dans la morphologie des structures obtenues à 400 nm et 266 nm avec celles vues sur les métaux et les semi-conducteurs. La similarité des structures est attendus et cadre avec nos attentes considérant que les verres sont dans leur zone d’absorption par transition électronique.

L’effet de la fluence incidente à la surface du verre est étudié systématiquement pour voir l’effet sur les différentes compositions vitreuses, aux différentes longueurs d’onde. L’effet le plus visible du changement de la fluence est la présence de l’ablation ainsi que sa profondeur.

Lorsque la fluence est trop basse, la surface reste intacte sous l’exposition laser. En augmentant la fluence, on atteint un point où les structures cessent d’être observées au centre des zones exposées. L’augmentation de la fluence du seuil d’ablation jusqu’à la disparition des structures révèle plusieurs effets importants dépendant de la composition vitreuse. Sur les verres de composition vitreuse As10S90et As20S80, on voit un changement de la période, sur As30S70 et

As40S60, on voit un changement de l’orientation des structures.

Le changement important et plutôt extrême de la période des structures sur As10S90et As20S80

ne peut pas s’expliquer avec seulement la théorie de Sipe et Al [41]. Pour permettre à la période des structures de changer, il faut introduire une modification à l’indice de réfraction changeant avec la fluence. La méthode prévalente est l’ajout d’une modification de l’indice par un plasma de surface suivant les lois de Drude [9, 19, 42]. Le changement de la densité du plasma à la surface modifie l’indice de réfraction, étant donné que la période des structures est égale à la longueur d’onde du laser dans le verre, on a une modification de la période.

Dans notre cas, on doit immédiatement parler d’une modification très importante de l’indice de réfraction, même près du seuil d’ablation. Les structures obtenues devraient être autour de 350 nm étant donné que l’indice de réfraction des verres est autour de 2.2. Près du seuil d’ablation on observe plutôt des structures autour de 500 nm sur As20S80et 750 nm sur As10S90.

On suppose alors que le changement de la fluence incidente aura un impact mesurable sur la densité de plasma durant l’exposition. Alors, le changement de la fluence incidente devrait avoir un impact sur la période des structures. Le lien entre la théorie avancée et nos expériences n’est pas possible avec mes données. La relation entre la fluence et la densité de plasma pour les deux verres est inconnue et la relation entre la densité de plasma et la modification d’indice est aussi inconnue. En se basant sur la théorie et le résultat des expériences, l’augmentation de la fluence cause une chute de la partie réelle de l’indice de réfraction.

Le changement de la fluence sur les verres d’As30S70 et As40S60 amène un changement im-

portant de morphologie lorsque la fluence est augmentée suffisamment. Lorsque la fluence est près du seuil d’ablation, on obtient des structures croisées par l’exposition au laser à 806 nm. Le processus pour la création des structures croisées doit être étudié en plus de détail. Il est possible que les structures croisées soient la création d’une première base de structures pa- rallèles puis la gravure de structures perpendiculaires durant les expositions suivantes. Il est aussi possible qu’un état très particulier des propriétés optiques permet de soutenir les deux types de structures.

Lorsque la fluence est augmentée encore plus, on voit une transition subite, similaire au seuil d’ablation, où les structures deviennent complètement parallèles. Encore une fois, la cause de ce changement doit être explorée. Il est possible qu’il s’agisse de la fluence où le plasma de surface cause une modification d’indice suffisamment importante pour que la partie réelle de l’indice soit plus petite que la partie imaginaire, possiblement à partir de la première impulsion.

Alors, on a une région de la surface avec un plasma qui cause une réaction similaire à un métal en surface.

L’effet observé du nombre d’impulsions est très important et disputé dans la littérature. Trois explications possibles sont trouvées dans la littérature, mais seulement une peut être utilisée pour expliquer nos résultats. Une première explication est que les structures ne changent pas selon le nombre d’impulsions, mais il s’agit d’une erreur dans la mesure, car les structures avec une période plus élevée au centre de la zone disparaissent. Une seconde explication serait que l’angle d’incidence au centre du cratère change causant le changement de la période. La troisième serait un changement du couplage entre l’onde et la surface causée par la présence de structures durant les impulsions précédentes [34]. Dans nos mesures, le centre de la zone exposée présentait toujours des structures et présentait un changement important de la période avec le nombre d’impulsions. Il est alors improbable que la première explication soit valide pour nos verres chalcogénures.

La troisième explication se base autour de la présence des structures lorsque les impulsions suivantes arrivent à la surface [22]. La théorie suppose une surface avec une rugosité de surface aléatoire, mais lorsque les premières structures commencent à apparaître, cette proposition de- viendrait de moins en moins valide. La présence de nanostructures présentant une organisation à la surface change le couplage entre l’onde incidente et l’onde secondaire.

Conclusion

Dans ce travail, nous avons pu explorer de nouvelles compositions vitreuses dans la matrice à base d’As2S3. Nous avons utilisé une méthode de refroidissement rapide par jet d’air pour

synthétiser les verres chalcogénures. Nous avons montré une dépendance des propriétés op- tiques et thermiques suivant la composition vitreuse. Les verres d’AsxS100−xsont transparents

pour une partie de la lumière visible, avec la limite de transmission se déplaçant vers le bleu avec l’augmentation du Soufre. La transmission dans l’infrarouge diminue avec la quantité de Soufre. L’indice de réfraction des verres, la température de transition vitreuse ainsi que la densité diminuent avec l’augmentation du Soufre. Nous avons effectué l’étude structurelle des compositions vitreuses par la spectroscopie Raman. Les spectres Ramans sont similaires au spectre d’As2S3 cristallin. L’ajout de Soufre dans le verre montre une variation notable

particulièrement une mise en évidence de bandes Ramans des chaînes de Soufre.

L’interaction laser-verre a été explorée en utilisant un laser femtoseconde (λ = 800 nm, 400 nm, 266 nm ; τ = 45 fs et un taux de répétition de 1 kHz ). En variant la longueur d’onde, la fluence et le nombre d’impulsions systématiquement, on explore l’effet des paramètres sur la surface du verre. On note tout d’abord l’expansion photoinduite sur les verres d’As10S90 et d’As20S80

aux fluences plus basses que le seuil d’ablation. Cette expansion augmente avec le temps d’irradiation jusqu’à une limite de 100 µm. Cette expansion maximale représente une valeur énorme comparée aux valeurs rapportées dans les publications.

L’étude des nanostructures sur les verres est initiée en examinant des cratères d’ablation pour trouver les conditions de création des structures. On trouve que l’ablation est une condition nécessaire pour la création des nanostructures. On trouve alors le seuil d’ablation à 800 nm pour trouver la condition minimale. À 400 nm et à 266 nm, les expériences ne permettent pas de déterminer le seuil d’ablation avec précision. On vérifie aussi l’effet du nombre d’impulsions sur le seuil d’ablation. L’augmentation du nombre d’impulsions incidente diminue le seuil d’ablation dramatiquement suivant une relation d’incubation.

On identifie plusieurs types de structures dans les verres. À l’aide des expositions à 800 nm sur les verres d’As10S90 et d’As20S80, on retrouve des structures parallèles avec une période

autour de la longueur d’onde. Sur le verre d’As20S80, il est possible de voir des trous sur

les structures. Sur les verres d’As30S70 et d’As40S60, on retrouve des structures croisées, des

structures perpendiculaires et une transition entre ces deux structures. Des structures croisées sont près de la longueur d’onde du laser dans les deux directions. On trouve alors des structures différentes de celles rapportées sur Silicium. Pour les expositions à 400 nm et 266 nm, on trouve des structures perpendiculaires avec une période près de la longueur d’onde ainsi qu’un petit anneau avec des structures croisées. En changeant la longueur d’onde, on observe un changement d’orientation des structures et un changement de la période un pour un avec la

longueur d’onde.

Durant l’analyse des structures parallèles, la forte dépendance de la période sur la fluence devient évidente durant les observations. Avec une étude systématique de la période des struc- tures au centre de l’ablation, on met en avant-plan l’augmentation de la période avec la fluence sur les verres d’As10S90 et d’As20S80. La transition entre les structures croisées et perpendi-

culaires est étudiée comme un seuil de transition dû à la fluence. En suivant une approche similaire à celle pour trouver le seuil d’ablation, on trouve un seuil de transition sur les verres d’As30S70 et d’As4060. En variant le nombre d’impulsions, on observe plusieurs effets sur les

structures. À toutes les longueurs d’onde, l’augmentation du nombre d’impulsions diminue la période des nanostructures dans nos observations. On peut aussi observer l’orientation des structures devenir plus forte avec le nombre d’impulsions.

Perspectives futures

Le mécanisme de création des structures reste élusif jusqu’à présent. Des efforts théoriques pour comprendre les mécanismes de la création des structures étudiées dans ces travaux sont initiés par Jean-Luc Déziel. Étant donné la nature plasmonique des explications avancées dans les travaux théoriques, il serait intéressant d’effectuer des expériences permettant de mesurer l’effet des impulsions lasers sur les caractéristiques optiques de la surface pour faire le lien avec les théoriques plasmoniques.

Les technologies de laser attoseconde permet d’ajuster la phase des ondes à une échelle tempo- relle du cycle optique. En utilisant des technologies attosecondes, il serait possible d’effectuer les expériences présentées dans ce mémoire avec ondes non symmétriques en temps. On pourra alors tester l’effet de différentes modifications à la forme temporelle des impulsions sur les structures. Si des phénomènes de l’ordre de temps attosecondes sont présents et significatifs dans la dynamique de la création des structures. Ces expériences seraient un bon départ pour explorer cette avenue. Les propositions utilisant les technologies attosecondes ne seraient pas possible sans la collaboration et la discussion avec le groupe du prof. Beaudoin-Bertrand.

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