ZAT radiale d’une lame mince d’aluminium de 500 nm

500 nm d’´epaisseur.

Pr´esentation des r´esultats

Les figures suivantes donnent les ´evolutions des temp´eratures du r´eseau sur le mˆeme sch´ema que les sections pr´ec´edentes. L’ensemble des r´esultats concerne une cible d’aluminium de 500nm d’´epaisseur. Ainsi les figures 2.34, 2.35 et 2.36 repr´esentent respectivement l’´evolution de la temp´erature du r´eseau d’ions en fonction du temps, de la profondeur de la cible et de la distance radiale en bordure du faisceau dans le cas d’une impulsion nanose-conde. Sur le mˆeme sch´ema les figures 2.37, 2.38 et 2.39 donnent les mˆemes r´esultats pour le cas du r´egime femtoseconde.

Discussion

La premi`ere remarque concerne les fluences mises en jeu. Pour le r´egime nanoseconde, la fluence n´ecessaire pour atteindre la fusion en surface de l’´echantillon est de 63.9mJ.cm⁻², alors qu’elle ´etait de 132mJ.cm⁻² pour le cas de la cible ´epaisse de 10µm. Pour le r´egime femtoseconde, la fluence

Fig. 2.34 – Evolution des temp´eratures ionique et ´electronique en fonction du temps pour une cible d’aluminium de 500nm d’´epaisseur et une impulsion de 8ns (les deux courbes sont confondues).

Fig. 2.35 – Evolution de la temp´erature du r´eseau en fonction de la profon-deur de la cible d’aluminium. Dur´ee de l’impulsion de 8ns.

Fig. 2.36 – Evolution de la temp´erature du r´eseau en fonction de r. Dur´ee de l’impulsion de 8ns.

Fig. 2.37 – Evolution des temp´eratures en fonction du temps pour une cible d’aluminium de 500nm d’´epaisseur et une impulsion de 200f s.

Fig. 2.38 – Evolution de la temp´erature du r´eseau en fonction de la profon-deur de la cible d’aluminium. Dur´ee de l’impulsion de 200f s.

dans le cas de la lame mince est la mˆeme que pour la cible ´epaisse. De fa¸con g´en´erale, on remarque que les r´esultats obtenus pour le r´egime femtoseconde dans le cas de la lame mince, sont identiques `a ceux pr´esent´es pour la cible ´epaisse de 10µm.

La d´ependance de la fluence seuil en fonction de l’´epaisseur de la cible a ´et´e largement ´etudi´ee. Matthias et al. [MAT 94] ont mesur´e des seuils d’ablation en fonction de l’´epaisseur de la cible dans le cas du r´egime nanoseconde. Les cibles qu’ils ont utilis´ees ´etaient des cibles de nickel et d’or. Les impulsions d´elivr´ees dans leur cas ´etaient de 14ns pour une longueur d’onde de 248nm. Ils ont mis en ´evidence la d´ependance lin´eaire de la fluence seuil en fonction de l’´epaisseur pour des cibles d’´epaisseur inf´erieure `a la longueur de diffusion

Fig. 2.39 – Evolution de la temp´erature du r´eseau en fonction de r. Dur´ee de l’impulsion de 200f s.

thermique L_th. Ils d´efinissent la densit´e d’´energie d´epos´ee par le laser dans le volume d´etermin´e par la longueur de p´en´etration optique par ε_λ0 = F_T/λ₀. O`u F_T est la fluence seuil. Ils distinguent cette densit´e d’´energie de la densit´e d’´energie critique pour atteindre la fusion ou la vaporisation du m´etal d´efinie comme ε_T = F_T/L_th. Pour des cibles d’´epaisseur d, la fluence seuil est alors r´eduite du facteur d/L_th. Ainsi, pour des cibles plus ´epaisses que la longueur de diffusion thermique, la fluence seuil devient ind´ependante de l’´epaisseur.

Une ´etude similaire a ´et´e men´ee dans le cadre du r´egime femtoseconde par Wellershoff et al. [WEL 99]. Leurs r´esultats sont semblables `a ceux de Mat-thias et al.. Cependant, contrairement au cas du r´egime nanoseconde, Weller-shoff et al. ont reli´e la d´ependance de la fluence seuil en fonction de l’´epaisseur non pas `a la longueur de diffusion thermique ”classique” d´evelopp´ee par Matthias et al. mais `a la longueur de diffusion des ´electrons chauds. Pour les m´etaux nobles, la notion d’´electrons balistiques prend toute son impor-tance avec cette formulation. En effet, la longueur de p´en´etration de ces ´electrons non thermalis´es red´efinie un nouveau volume de d´epˆot d’´energie. La pr´esence de λ<sub>bal</sub> dans le terme source, aux cˆot´es de λ<sub>0</sub>, se justifie ainsi. Cet ´elargissement du volume de d´epˆot d’´energie est `a rajouter `a la constante de couplage g, dans la justification des fluences seuil plus ´elev´ees pour les m´etaux nobles.

Le mod`ele `a deux temp´eratures mod´elise tr`es bien la d´ependance de la fluence seuil en fonction de l’´epaisseur ce qui constitue l’une des plus sˆures validation du MDT. Dans la section suivante, nous pr´esentons l’´etude de la fluence seuil

en fonction de l’´epaisseur dans le cas de l’aluminium.

Dans les r´esultats pr´esent´es dans ce travail, on remarque, pour le r´egime nanoseconde, que la fluence n´ecessaire pour atteindre la fusion en surface est typiquement deux fois plus faible que dans le cas de la cible ´epaisse. En effet, les r´esultats de la figure 2.16 fournissent une longueur de diffusion thermique dans la direction du faisceau de l’ordre de 4 `a 6µm. Pour la lame mince de 500nm, l’´epaisseur de la cible est donc inf´erieure `a cette longueur de diffu-sion thermique et l’effet de saturation entre la face avant et la face arri`ere se met en place. La figure 2.35 montre cet effet de saturation entre les deux faces de la cible. La diffusion de la chaleur est alors bloqu´ee par les limites de l’´echantillon et la fluence n´ecessaire pour atteindre la fusion s’en trouve diminu´ee.

Cette homog´en´eisation de la temp´erature dans l’´epaisseur de la cible joue un rˆole pr´epond´erant dans la diffusion de la chaleur dans la direction radiale. En effet, la figure 2.36 donne l’´etendue de la ZAT radiale pour la lame mince en r´egime nanoseconde. Celle-ci mesure typiquement 20.7µm compar´es aux 3.10µm calcul´es pour la cible ´epaisse. La saturation de la temp´erature dans l’´epaisseur de la cible entraˆıne une diffusion de la chaleur dans le mat´eriau en bordure de faisceau laser. En effet, la diffusion de la chaleur dans le mat´eriau est beaucoup plus importante que celle due aux ´echanges thermiques avec le milieu ext´erieur. Il s’en suit un ´elargissement de la ZAT radiale.

Pour le r´egime femtoseconde, les r´esultats identiques pour la cibles de 10µm et celle de 500nm laissent supposer que la longueur de diffusion thermique

dans l’aluminium est inf´erieure `a 500 nm. La section suivante valide cette hypoth`ese.