Tesis sobre el tema "Micro-Usinage laser femtoseconde"

Le nombre de patients en attente sur la liste de transplantation d'organe est croissant dû notamment à une augmentation de la durée de vie. L'ingénierie tissulaire, dans une optique de remplacement d'organes pourrait être une alternative à ce problème de pénurie d'organes. Cependant, la création d'un organe entier par ingénierie tissulaire est limitée par la complexité de son organisation et la vascularisation des tissus créés. La vascularisation permet en effet d’apporter l'oxygène et les nutriments nécessaires aux cellules et d'éliminer les déchets qu'elles génèrent. Sans vascularisation, les cellules ne peuvent survivre et nécrosent.Ce projet de thèse est un partenariat entre le laboratoire français BioTis - INSERM U1026 et le centre technologique d'optique et laser ALPhANOV autour de la bio-ingénierie tissulaire. L'objectif est de développer un procédé de fabrication et d'usinage pour créer un modèle de microfibres glomérulaires perfusables. Des microfibres cellulaires ont été réalisées au sein du laboratoire BioTis. Elles sont composées d’un cœur d’hydrogel de collagène et d’une paroi externe bicellulaire modélisant la barrière de filtration rénale. L’originalité de ce travail repose ensuite sur la création d’une lumière interne, à l’aide d’un faisceau laser à impulsions ultracourtes. Inspiré des procédés industriels d’usinages intravolumiques de matériaux transparents, les impulsions ultracourtes sont ici fortement focalisées dans le cœur de collagène pour créer un canal intravolumique via un phénomène de cavitation à l’intérieur des fibres sans impacter la couche externe de cellules
The demand for organ transplantation has rapidly increased during the past decades due to the increased incidence of vital organ failure and the greater improvement in post-transplant outcome. However, the unavailability of adequate organs for transplantation to meet the existing demand has resulted in major organ shortage crisis. Today, the emergence of regenerative medicine and more particularly, tissue engineering, appears as the best opportunity to effectively regenerate functional tissues and organs. However, these approaches face the 3D architectural complexity of a real organ’s system. More particularly, one of the most challenging issues when engineering tissues is the lack of an efficient method to produce blood vessel systems — the vascularization. Without nutrients and oxygen supply, cells die, and engineered tissues show cell necrosis.This project is a collaboration between the French laboratory of tissue engineering BioTis – INSERM U1026 and the technological centre in optics and lasers ALPhANOV. The aim of this project is to develop a model of perfusable glomerular microcapillary that would mimic glomerular filtration. Microfibres was crafted in the BioTis lab with a core made of collagen hydrogel and a peripheric cell bilayer. This thesis focuses on the creation of a channel within the collagen core using femtosecond laser processing. Following the principle of industrialized intra-volume laser microprocessing of transparent materials, ultra-short laser pulses were strongly focused inside collagen hydrogel to induce the formation of a channel through cavitation phenomena without affecting the cell bilayer

Lors des travaux de recherche décrits dans cette thèse, un laser à impulsions femtosecondes (fs) est employé comme outil chirurgical pour joindre/souder les matériaux optiques. Lorsque ces impulsions traversent un premier matériau transparent (typiquement un verre) et sont focalisées à l’interface entre celui-ci et un deuxième matériau, l’ionisation non linéaire de la matière produit une soudure localisée à la région irradiée sans affecter thermiquement les environs. Le deuxième matériau peut être de composition soit identique ou différente du premier, soit transparent ou opaque. Les surfaces à joindre devant être préalablement mises en contact optique, nous avons donc pratiqué la technique du collage optique pour éliminer l’écart entre elles. Cette technique consiste à utiliser des matériaux avec une qualité de surface exemplaire de façon à établir un contact optique lors de leur rapprochement qui couvre idéalement l’aire totale entre les surfaces. De cette façon, les matériaux sont préjoints par de faibles liaisons moléculaires de type Van der Waals avant l’inscription de la soudure. Il est coutumier de renforcer cette jonction par un recuit thermique, ce qui est inapplicable sur les assemblages de matériaux différents puisque la dilatation thermique inégale va induire le décollement du contact optique. Nous avons donc proposé la soudure laser fs pour la renforcer. Puisqu’aucun chauffage macroscopique des échantillons n’est induit, cette technique est applicable aux combinaisons de matériaux identiques et différents. Le renforcement se fait par l’inscription d’une multitude de lignes de soudure en périphérie de la zone en contact optique suivant un patron soit rectangulaire ou circulaire. La partie scellée définit une fenêtre de transmission optique dont la transparence est conservée. Les lignes de soudure en périphérie de cette fenêtre la protègent contre le décollement du contact optique induit par des contraintes mécaniques et/ou thermiques. Ce procédé a été adapté à deux applications tirant profit des avantages susmentionnées. Dans un premier temps, un endcap microscopique en verre fut soudé sur des fibres optiques ordinaires et microstructurées. Subséquemment, un laser à disque a été joint à un dissipateur de chaleur en silicium. Ces deux applications démontrent la versatilité et le potentiel de miniaturisation de ce procédé original combinant la soudure laser femtoseconde et le collage optique.
Within the research described in this thesis, femtosecond (fs) laser pulses are utilized as a surgical tool to join optical materials. When these sub 100 fs pulses are transmitted through a first material (typically glass) and focussed at the interface between the first and second materials, the nonlinear ionization of matter will generate a weld localized solely inside the irradiated region without thermally affecting its surroundings. The second material may be of identical or different composition to that of the first, either transparent or opaque. The joining surfaces must be put in optical contact beforehand, so we used the direct bonding technique to eliminate any pending gap between them. This technique consists in using materials with very flat polished surfaces so as to induce optical contact ideally throughout the whole area between the bonding surfaces. The materials will thus be prebonded by Van der Waals forces prior to welding. It is customary to reinforce the direct bond by thermal annealing, which is however unpractical for dissimilar material combinations since the uneven thermal dilatation will lift-off the optical contact. We propose the use of fs laser welding as an alternative to thermal annealing to reinforce such assemblies. Since no macroscopic heating is induced, this technique is applicable to both similar and dissimilar material combinations. Reinforcement is produced by the inscription of multiple weld lines at the periphery of the direct bonded area in a closed shape pattern. The region sealed by the weld seams defines an optical transmission window where the optical transparency of the assembly is maintained. The weld lines at the periphery protect this window against lift-off of optical contact initiated by mechanical and/or thermal constraints. This process was adapted to two specific applications which greatly profit from the aforementioned benefits. Firstly, a microscopic endcap made of glass was welded to the polished tip of regular and microstructured optical fibers. Subsequently, a crystal disc acting as a laser medium was joined to a semi-conductor heat sink. These applications demonstrate the great versatility and miniaturisation potential of the novel joining process developed during this doctorate, which combines fs laser welding and direct bonding.

L'ensemble des études présentées dans ce mémoire souligne le réel potentiel des lasers femtoseconde pour des applications de micro-usinage et insiste sur la maîtrise de l'utilisation des chaînes laser amplifiées. Les dispositifs expérimentaux mis en place pour contrôler l'usinage nécessitent la maîtrise de nombreux paramètres, qu'il soient mécaniques, informatiques ou optiques. Différentes techniques ont été élaborées pour accroître la qualité d'usinage et de perçage et des études systématiques ont été entreprises dans le cas des métaux sur l'effet de la fluence et de la cadence. Une comparaison des effets thermiques sur les bords d'usinage en mode femtoseconde et nanoseconde a été entreprise d'un point de vue expérimental (MET) et par l'intermédiaire d'un modèle à 2 température. Enfin des résultats plus exploratoires, en particulier sur le silicium ainsi que des essais de photoinscription de guide d'onde illustrent le potentiel applicatif considérable des impulsions ultra-courtes
The studies presented in this thesis underline the real potential of femtosecond lasers for micromachining applications and insist on the control and use of the amplified laser chains. The experimental devices for the control of micromachining require the control of many parameters, as mechanical, data-processing or optical. Various techniques of machining were worked out to increase the quality of machining and drilling and systematic studies were undertaken in the case of metals including fluence and repetition rate dependence. A comparison of the heating effects on the edges of holes drilled in femtosecond and nanosecond regime was performed with an experimental approach (TTM measurements) and with a modelization. This was based on the use of a 2 temperatures model. Finally complementary results, in particular on silicon micromachining and tests of wave guide photowritting illustrate the wide applicability field of the ultra-short laser pulses

Le micro-usinage de matériaux transparents est aujourd’hui un sujet d’intérêt mondial en recherche appliquée. L’emploi de lasers femtoseconde permet la micro-fabrication de composants optiques et de verres intelligents, ou la réalisation de cellules photovoltaïques. Dans ce contexte, cette thèse expérimentale se concentre sur l’absorption laser résolue en temps et en espace à la surface de matériaux diélectriques irradiés (silice fondue et saphir). Des impulsions femtoseconde (30 − 450 fs) dans l’infrarouge sont utilisées pour étudier l’efficacité de couplage de l’énergie laser pour l’ablation de matériaux dans un régime d’intensité intermédiaire (1-100 TW/cm²) lors de deux expériences. Un schéma pompe-sonde détermine la dynamique du plasma électrontrou à l’échelle femtoseconde et une expérience de déplétion laser mesure l’énergie absorbée. Une étude morphologique du matériau est réalisée, évaluant les seuils d’endommagement et d’ablation ainsi que les morphologies d’ablation. Nous établissons ensuite un bilan d’énergie de l’absorption laser responsable de l’enlèvement de matière. Les densités d’énergie typiques atteintes sont évaluées expérimentalement et confrontées à une modélisation avec propagation. Un excès de dépôt d’énergie par rapport à l’énergie de liaison du matériau au repos est mis en évidence, suggérant qu’un important chauffage du gaz d’électrons libres a lieu. Nous réalisons enfin une interprétation des données avec un regard technologique. Des guides à la réalisation de microsystèmes en régime d’ablation laser femtoseconde sont proposés, et démontrent l’intérêt d’impulsions sous 100 fs pour un procédé photonique
This thesis concerns femtosecond laser absorption in dielectrics in the context of micromachining processes of glass materials. Prospected applications of this technology are optical component micro-fabrication, smart glass manufacturing, or photovoltaic cell patterning. In this context, we focus on the characterization in time and space of the absorption mechanisms occurring at the surface of irradiated dielectric materials (fused silica and sapphire). Using near-IR ultrashort pulses (30 − 450 fs) laser energy coupling efficiency for material ablation is studied at mid-intensities (1-100 TW/cm²) through two experiments. A pump-probe scheme determines the electron-hole plasma dynamics at femtosecond timescale and a laser depletion experiment measures the material absorption. A morphological study of the samples is performed, evaluating the damage and ablation thresholds as well as ablation morphologies. We then establish an energy balance of laser absorption responsible of matter removal. Typical energy densities reached are estimated through experiments and confronted to a propagative model. It is shown that the amount of absorbed energy is far above the bonding energy of the material at rest, suggesting that the major part of the absorbed energy is spent to heat the free electron gas. Finally, we propose a technological analysis of the experimental data. The interest of sub-100 fs laser pulses for photonic processes is evidenced, however at the cost of additional complexity. It provides guidelines for efficient direct laser ablation, making the results relevant for femtosecond processes

L’Industrie actuelle demande des produits à haute valeur ajoutée offrant des nouvelles fonctions à moindre coût. Parmi les fonctions on peut citer la coloration de surface, le noircissement de surface, la réduction des frottements, la génération de surface anti-réflexion, anti-bactérienne, superhydrophobe ou anti-formation de glace. Les surfaces fonctionnelles présentes dans la nature nous indiquent que ces propriétés uniques sont possibles par des texturations de surface à l’échelle micro et nanométrique adéquates.Parallèlement à cela, la technologie laser révolutionne le champ des possibles en termes de texturation de surface et permet de reproduire ces fonctions inspirées du monde du vivant en modifiant la morphologie et la chimie de surface. Néanmoins, le développement et le déploiement de telles techniques de texturation laser au niveau industriel nécessite la levée de trois verrous. Le premier est de connecter les propriétés macroscopiques (couleur, résistance mécanique, stabilité chimique, vieillissement) et la morphologie de surface aux échelles nano et microscopiques. Le second d’acquérir une parfaite maîtrise de la morphologie de surface à ces échelles. Le troisième est la transposition du procédé développé en laboratoire en procédé industriel adapté aux traitements de grandes surfaces avec des temps de cycles les plus courts possibles. Nous avons étudié plusieurs techniques de texturation de surface à l’échelle submicronique par laser femtoseconde. Ainsi des « ripples » de quelques dizaines de nanomètres ont être réalisées par laser UV. L’irradiation avec double impulsion apporte une capacité supplémentaire dans le contrôle de la morphologie de surface finale. Différents types de structures, avec différentes symétries, ont ainsi été produites en jouant sur le délai entre les deux impulsions. Des structures LIPSS homogènes triangulaires ou carrées ont été obtenues pour des délais inférieurs à 5 ps et 500 ps respectivement. Des paramètres opératoires, en particulier la fluence et la polarisation, ont été identifiés comme jouant un rôle majeur dans les caractéristiques de la morphologie de surface finale. Des expériences complémentaires ont montré que des résultats similaires peuvent être obtenus en utilisant des cristaux biréfringents pour générer des délais courts. Nous avons également exploré la possibilité d’utiliser des trains d’impulsions uniques pour produire des texturations de surface de dimensions caractéristiques supérieures allant de quelques microns à plusieurs dizaines de microns en faisant varier de manière systématique la fluence, la dose énergétique et le taux de répétition du laser. La comparaison de résultats expérimentaux avec ceux issus de simulation nous avons mis en évidence le rôle majeur de l’accumulation thermique sur les dimensions caractéristiques des structures générées par laser. Par ailleurs, nous avons démontré la capacité du procédé à produire de texturations sub-longueurs d’onde, homogènes, sur des surfaces supérieures à 1 cm², avec des lasers ayant des taux de répétitions allant jusqu’à 10 MHz et des systèmes de positionnement innovants. Des nano-rugosités de surface ainsi produites affichent des propriétés de super hydrophobicité. A titre d’exemple, nous avons atteint un temps de texturation de l’ordre de 1 min/cm², soit 60 fois inférieurs à ce que nous obtenions en début des travaux. Enfin, nous avons démontré un temps de 9 s/cm² pour le noircissement de surface.Ces travaux de recherche, mettant à profit des sources laser et des équipements de déflection optique de dernière génération, apportent une contribution significative dans la compréhension des mécanismes d’une part, et dans la capacité à contrôler et à produire de telles texturations sur des grandes surfaces d’autre part. Ils devraient favoriser une dissémination rapide de ces technologies de texturation laser dans l’industrie
Current industrial markets demand highly value-added products offering new features at a low-cost. Among the most desired functionalities are surface colouring and blackening, anti-icing, anti-biofouling, wear reduction and anti-reflectivity. Laser surface processing holds a virtually endless potential in surface functionalization since it can generate versatile surface properties by modifying surface morphology and chemistry. Nevertheless, developing functional surfaces for implementation in the industry requires action on three levels. The first is to connect the macro-scale surface properties (colour, mechanical resistance, chemical stability, ageing) and the micro & nano-scale morphology. The second is to increase the level of control over the laser induced morphology in the near micron and submicron scale. The third is to upscale the lab-developed process both in terms of processed area and cycle time. Functional textures found in nature can be used as a guideline for connecting the surface texture with the surface property. It is well established that different textures can enable different functionalities. Nevertheless, the level of control of the laser induced morphology has to be improved significantly in order to allow one to mimic nature’s examples. Increase of control requires an in-deep understanding of the physical mechanisms that lead to nanostructure formation. To this end, we carry out a comprehensive parametric study of fs processing on stainless steel. The impact of wavelength, overlap, fluence, dose, repetition rate, polarization and interpulse delay in the induced morphology was investigated.We investigate several techniques to achieve controlled laser structuring in the submicron regime. Ripples of a few tens of nanometres were obtained with a UV laser. Double pulses were employed to further control the submicron structures. Structures of different size and symmetry were obtained in different delays underlining the key role of the interpulse delay (Δτ). Homogeneous triangular and square 2D-LIPSS were obtained for Δτ smaller than 5 ps and 500 ps, respectively. Process parameters and particularly fluence and polarization were found to play also a role in the laser induced feature characteristics. In a complementary set of experiments, we show that similar results can be obtained for small delays with a robust setup of birefringent crystals. In the above micron regime, trains of single pulses were employed for controlling the surface morphology. Fluence, dose and repetition rate, were varied to show a systematic variation of spikes in the range of tens of micrometers. Combining our experimental results with simulation data we underline the key role of heat accumulation on the structures size. Finally, we proposed an upscaling strategy showing the possibility to exploit repetition rates up to 10 MHz for laser texturing.In the upscaling part, areas much larger than the spot size were textured homogenously using high repetition rate laser and innovative laser positioning systems. Nanometric ripples induced by UV laser act as a subwavelength grating. Laser induced nano roughness exhibits superhydrophobic properties. Uniform distribution of well-defined, sub-wavelength, 2D-LIPSS was successfully generated over ~1 cm2. The final surface exhibits multiple axis iridescence giving a holographic effect. Employing a 10 MHz laser surface was textured at a rate of ~ 1 min/cm2 almost 60 times faster compared to our starting point. Lastly, surface blackening was achieved at a rate of ~ 9 sec/cm2.In conclusion, valuable data were provided both in surface functionalization, in understanding and controlling of laser induced structuring and in upscaling a lab developed process. We believe that our results open the way for exploiting fs laser texturing in everyday applications employing up to date laser sources and positioning systems

La technique d'usinage par impulsions laser femtosecondes possède de nombreux avantages du fait des spécificités physique de l'interaction laser/matière en mode ultra-bref et est donc susceptible d'intéresser le monde industriel. Néanmoins elle présente aussi certaines limitations, principalement en terme de flexibilité et de productivité, limitant l'accès à ce marché. Pour repousser ces limites, nous proposons d'adjoindre des techniques de contrôle du faisceau, à la fois en taille, et plus généralement en forme, exploités par ailleurs dans d'autres domaines scientifiques (pincettes optiques notamment). Ces techniques reposent sur l'utilisation de modulateurs spatiaux de lumière (SLM). Deux solutions sont proposées : la modulation d'amplitude en configuration d'imagerie, et la modulation de phase pure en configuration de Fourier. Le formalisme, les différentes problématiques et la mise en oeuvre de ces deux techniques au sein d'une station de travail prototype que nous avons développée sont présentés. Enfin, nous mettons en évidence le gain apporté par ces techniques sur des problématiques concrètes, tels que l'usinage de réseaux résonant à l'échelle nanométrique, la réduction du temps d'usinage de ces réseaux (ou d'autres motifs), et l'amélioration de la qualité d'usinage de rainures

Depuis le début des années 90, de grands progrès ont été réalisés dans les sources laser à impulsions courtes, essentiellement basées sur le cristal de saphir dopé au titane. Les efforts ont principalement porté sur la diminution de la durée et l'augmentation de l'énergie. Parallèlement, les sources à haut taux de répétition (de l'ordre de la dizaine de kilohertz), ont fait l'objet de peu d'études. Une première partie de ce travail est consacrée à l'étude et à la réalisation d'une source à 15 kHz de haute puissance moyenne. Le laser de pompe utilisé est ici un laser à vapeur de cuivre hybride (CuHBr), d'une puissance de 100 W. Le manuscript présente une étude détaillée des problèmes thermiques dans les cristaux à ces cadences et de prise en compte de ces derniers dans le dimensionnement d'une cavité régénérative et des amplificateurs multi-passages. Dans une deuxième partie, on s'intéresse à une application particulière de ces sources haute cadence: le micro-usinage. Des résultas expérimentaux sont présentés, essentiellement dans les métaux. Pour tenter de comprendre la spécificité des mécanismes d'interaction laser-matière en régime femtoseconde dans ces derniers, un modèle à deux températures est développé qui permet de simuler la longueur de diffusion thermique (radiale et axiale) sur les bords de l'usinage. Les résultats de cette simulation font apparaître une différence notable de la longueur de diffusion thermique entre le régime nanoseconde et le régime femtoseconde
Since the early 90's, much progress has been done in the field of ultrashort laser sources, mostly based on Ti:sapphire crystals. The shortest pulse duration and the highest energy were the main goals of these developments. In the same time, few work has been done on high-repetition rate sources (more than ten kilohertz). The first part of this work is dedicated to the study of a 15 kHz femtoseconde laser source with high average power. The pump laser is a 100-W Hybrid copper vapour laser. Thermal effects inside the crystals are carefully studied as well as the design of a regenerative cavity and multi-pass amplifiers taking into account these thermal problems. The second part deals with a particular application of these high-repetition rate sources: micro-machining. Experimental results are shown, mostly on metals. To have a comprehensive approach of the specificity of laser-matter in the femtosecond regime, a two-temperature model is developped. It leads to a simulation of the thermal diffusion length, bath axially and radially. The results shows a striking difference between nanosecond and femtosecond regime

Ce travail de thèse porte sur la mise en forme spatiale de faisceau laser à impulsions ultra-brèves pour l'optimisation des interactions laser-matière.
La première partie de ce mémoire expose la conception et la réalisation d'un système d'optique adaptative permettant la mise en forme spatiale de faisceau au point focal d'une lentille. Ce dispositif original est basé sur un modulateur de front d'onde à cristaux liquides, utilisé comme lame de phase programmable de haute résolution. Une correction fine des aberrations du faisceau est démontrée, de manière à obtenir une surface d'onde quasi-plane en temps réel, et donc un point focal limité par diffraction. Puis, par modulation contrôlée de la phase spatiale, une mise en forme programmable de tache focale est réalisée, suivant une forme de faisceau arbitraire définie par l'utilisateur. Une variété de motifs de grande qualité ont été obtenus au point focal d'une lentille sur des dimensions réduites (70 µm) : top-hat, carré, anneau, triangle, rectangle.
Dans la seconde partie, ce dispositif est mis à profit pour l'interaction laser-matière femtoseconde, où le matériau est modifié essentiellement dans la zone irradiée : micro-usinage en surface (métaux) et micro-structuration en volume (diélectriques transparents).
La mise en forme de faisceau rend accessible l'usinage direct de formes complexes, tandis que la correction de front d'onde permet la photoinscription contrôlée de guides d'ondes via la modification locale d'indice de réfraction. Un gain appréciable de qualité, de précision et de contrôle est démontré, permettant à la fois l'optimisation et l'extension des procédés applicatifs des lasers en régime femtoseconde.

De nombreux processus fondamentaux ont lieu sur des échelles de temps femtosecondes à plusieurs centaines de picosecondes. En outre, les demandes continues d'augmentation de résolution et de précision dans l'industrie du micro-usinage de pointe exigent la compréhension fine des mécanismes physiques d'ablation et l'identification précise des conditions optimales de mise en œuvre des systèmes laser femtosecondes. Ces systèmes doivent ainsi permettre la production de structures de taille micrométrique de manière contrôlée et étalonnée. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interaction d'un laser femtoseconde (500 fs @ 1025 nm) avec une cible diélectrique en utilisant un banc d'essai spécifique. La première partie de cet ouvrage décrit les aspects fondamentaux du dépôt d'énergie laser dans les diélectriques (SiO2) et de dissipation au sein du réseau ainsi que le processus d'ablation de la matière, au moyen de techniques pompe-pompe et pompe-sonde résolues en temps. L'étude expérimentale est accompagnée d'une modélisation prenant en compte la propagation du faisceau dans la matière (équation de Helmholtz monodimensionnelle), le processus de dépôt d'énergie en régime hors équilibre (modèle à deux températures) et l'ionisation du matériau (équation de population de la densité d'électrons libres). Enfin, nous mettons en évidence l'intérêt des lasers femtosecondes pour la modification de la matière (notamment pour l'endommagement en surface et l'ablation) et les applications, notamment dans le domaine du micro-usinage et de la chirurgie de la cornée par laser
Numerous fundamental processes take place on time scales from several femtoseconds to hundreds of picoseconds. Moreover, the continuous demands of downscaling and increase of precision in the cutting-edge micromachining industry require the comprehension of the physical mechanisms and the identification of key laser parameters for an optimized use of femtosecond laser systems. Those systems shall allow production of controlled and calibrated micrometer-size structures with high spatial selectivity. In this PhD work, we study the interaction of a femtosecond laser (500 fs @ 1025 nm) with a dielectric target using a dedicated test-bench. The first part of this work describes the fundamental aspects of laser energy deposition in dielectrics (SiO2), its redistribution to the lattice and the process of laser ablation by means of pump-pump and time-resolved pump-probe experiments. The experimental study is accompanied by a computational modeling taking into account the beam propagation (one-dimensional Helmholtz equation), the non-equilibrium process of the energy deposition (two-temperature model) and the matter ionisation (rate equation describing the free electron density change). Finally, we put in evidence the interest of femtosecond lasers for material modification (notably for surface damage and ablation) which high specific benefit in such applications as micromachining and laser corneal surgery

L'objet de ce travail de these est l'etude des effets thermiques dus a l'interaction laser-matiere dans le cas de materiaux metalliques irradies avec des impulsions femtosecondes. Deux approches sont developpees. La premiere utilise un traitement numerique a deux dimensions du Modele a Deux Temperatures (MDT). Apres definition d'une Zone Affectee Thermiquement (ZAT) sur la base d'arguments de physique des materiaux, l'etendue de celle-ci est estimee par simulation numerique dans la direction perpendiculaire au faisceau laser. La deuxieme approche est de type experimentale. Les techniques de microscopie electronique en transmission et a balayage sont utilisées pour mesurer l'evolution des microstructures en bordure de la zone irradiee. Les regimes femtoseconde et nanoseconde sont compares dans l'ensemble des resultats de ce travail.

Les technologies silicium avancées, telles que le BiCMOS B55X de STMicroelectronics, visant des fréquences de coupure fT/fmax supérieures à 400 GHz, permettent le développement de circuits dans la gamme 140-220 GHz (bande G). Pour valider ces technologies, les méthodes de caractérisation micro-ondes pour les mesures sur tranche (on-wafer) sont essentielles pour extraire les figures de mérite des transistors, des circuits passifs et des parasites associés. Cependant, les circuits à large bande, tels que les sources de bruit (NS), les récepteurs de bruit et les syntoniseurs d'impédance à ces fréquences sont très peu disponibles sur le marché. Des recherches antérieures ont démontré qu'il est possible d'intégrer directement des fonctions de mesure sur tranche en technologie BiCMOS B55, mais cette approche in-situ ou d'auto-test intégré (BIST, built-in self test) présente des limitations, notamment en termes de surface de silicium et parce que l'instrumentation BIST intégrée ne peut pas être utilisée pour une autre technologie.Cette thèse élargit l'applicabilité de l'instrumentation de mesure au-delà du procédé B55X et vise à réduire les coûts de test en évoluant du BIST aux sondes intelligentes. Cette nouvelle approche se concentre sur l'intégration des fonctions de mesure dans un système compact placé aussi près que possible des sondes de mesure pour des mesures ex-situ.S'appuyant sur des résultats de thèse précédents, la première source de bruit (NS) packagée, basée sur la technologie SiGe BiCMOS 55-nm, a été développée et caractérisée dans deux configurations distinctes. Dans une première approche, les mesures de bruit sur wafer ont permis d'extraire un niveau de rapport de bruit en excès (ENRav) de 37 dB dans la gamme 140-170 GHz. Dans une approche alternative, la NS a été encapsulée dans un boîtier de type split-block avec une terminaison à bride WR5.1 pour une connexion aux sondes passives commerciales, atteignant un niveau ENRav allant jusqu'à 25 dB dans la gamme 140-220 GHz, ce qui correspond à une réduction de 12 dB de l'ENR par rapport aux mesures sur tranche.Pour améliorer ces travaux, un des résultats clés de cette thèse est le développement de sondes Ground-Signal-Ground (GSG) pour les mesures sur tranche, fabriquées par micro-usinage laser femtoseconde avec une résolution comprise entre 5 et 10 µm. Ces sondes, fabriquées à partir d'un substrat de verre Schott AF32 d'une épaisseur de 100 µm et recouvert d'une feuille de nickel de 10 µm, démontrent une durabilité mécanique et des performances électriques améliorées. Alors que les sondes fabriquées à partir d'un substrat de verre sans couche de nickel atteignent la rupture mécanique pour une force de contact de 196 mN, les tests d'atterrissage ont révélé que les sondes en nickel-verre résistaient jusqu'à 667 mN. De plus, ces sondes ont démontré une résistance DC électrique de contact très faible atteignant 0,05 Ω pour une force d'appui supérieure à 6 mN.En outre, cette recherche introduit une nouvelle technologie de substrat qui embarque une puce intégrant une source de bruit amplifiée en technologie B55X sur un interposeur en verre pour réduire les pertes diélectriques et de transition de mode de propagation. Grâce au micro-usinage laser femtoseconde, les interconnexions sont structurées avec précision, permettant l'intégration de la puce NS sur le même substrat que celui utilisé pour fabriquer les pointes de sonde coplanaires, avec l'avantage de simplifier le chemin de propagation du signal. Ce système a atteint un niveau ENRav ajustable jusqu'à 29 dB dans la gamme 140-170 GHz, avec une adaptation d'impédance de sortie meilleure que -12 dB sur l'ensemble de la bande de fréquences.Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour des sondes actives millimétriques, rentables et évolutives, pour les mesures sur tranche
Advanced silicon technologies, such as BiCMOS B55X from STMicroelectronics, which target fT/fmax cutoff frequencies above 400 GHz, are enabling the development of silicon circuits in the 140-220 GHz range (G-band). To validate these technologies, microwave characterization methods for on-wafer measurements are essential to extract the figures of merit of transistors, passive circuitry and associated parasitics. However, broadband circuits like noise sources (NS), noise receivers and impedance tuners at these frequencies are very incompletely covered by the market offer. Previous research demonstrated that embedding measurement functions directly onto silicon in BiCMOS B55 technology is possible, but this in-situ approach or built-in self-test (BIST) has certain limitations, particularly in terms of the silicon surface allocated to the test circuits alone and also because embedded BIST instrumentation cannot be used for another technology.This thesis broadens the applicability of measurement instrumentation beyond the B55X process and aims to reduce testing costs by transitioning from BIST to smart probes. This new approach focuses on integrating measurement functions into compact systems placed as close as possible to the measurement probes for ex-situ measurements.Building on earlier research achievement as part of a previous thesis, the first-ever packaged NS based on SiGe BiCMOS 55-nm technology was developed and characterized in two distinct configurations. In a first flavor, on-wafer noise measurements yielded an extracted excess noise ratio (ENRav) level of 37 dB in the 140-170 GHz. In an alternative approach, the NS was packaged in a split-block with a WR5.1 flange termination for connection to commercial passive probes, achieving an ENRav level of up to 25 dB in 140-220 GHz corresponding to a 12 dB ENR reduction when compared to the on-wafer measurements.To improve on this work, a key achievement of the present thesis is the development of Ground-Signal-Ground (GSG) probes for on-wafer measurements fabricated using femtosecond laser micromachining with a resolution between 5-10 µm. These probes made from 100 µm thick Schott AF32 glass substrate bonded to a 10 µm thick nickel sheet, demonstrate improved mechanical durability and electrical performance. Nickel was chosen for the tip contacts due to its mechanical hardness and superior electrical properties, which minimize contact resistance and extend probe lifespan. Mechanical testing revealed that while glass-only probes failed at a contact force of 196 mN, the nickel-glass probes withstood forces up to 667 mN. Additionally, these probes achieved low-resistance electrical contacts (0.05 Ω above 6 mN), as verified through four-wire measurements on a single contact point.Furthermore, this research introduces a novel substrate technology that integrates an amplified NS B55X chip onto a glass interposer to reduce dielectric and transition losses. Using femtosecond laser micromachining, the interconnects are precisely structured, allowing the integration of the NS chip on the same substrate used to manufacture the coplanar probing tips, with the advantage of simplifying the signal propagation path. This system achieved a tunable ENRav level of up to 29 dB in the 140-170 GHz range, with constant output impedance matching better than -12 dB across the entire frequency band. This innovation allows for the integration of the GSG probes with the NS to perform on-wafer noise measurements.This research opens new possibilities for cost-effective, scalable millimeter-wave active probes for on-wafer measurements. Their adaptable design makes them suitable for diverse applications, advancing circuit characterization and high-frequency semiconductor testing

Ce travail de thèse est consacré au développement de sources lasers femtosecondes à haute cadence, de forte puissancemoyenne (>10 W) avec des énergies supérieures à 100 μJ. Ce type de sources est primordial pour le développementd’applications industrielles variées (micro-usinage athermique, chirurgie oculaire, …) ainsi qu’en recherchefondamentale pour l’étude de l’interaction laser matière.Après un chapitre d’introduction sur l’état de l’art des chaînes lasers de forte puissance moyenne à base de matériauxdopés ytterbium, la réalisation d’une chaîne laser de forte puissance moyenne compacte à base de fibre photoniquemicrostructurée à large aire modale sera présentée. Il sera notamment démontré les principales limitations en termed’énergie et de puissance moyenne. D’une part, le fort confinement de l’impulsion lumineuse dans le coeur de la fibrefavorise l’accumulation d’effets non-linéaires lors de l’amplification et détériore la qualité de l’impulsion. D’autrepart, en raison du diamètre de coeur important (> 70 μm) choisit pour lutter contre l’effet précèdent, le guidage dumode fondamental TEM00 de ces fibres est très critique et devient sensible à la charge thermique interne à la fibre.Cette source laser a été utilisée dans le cas de deux applications bien spécifiques : le perçage de plaques d’acierépaisses pour une finalité de déminage (relatif au cadre du financement de cette thèse par la Direction Générale del’Armement) et à la génération d’harmoniques d’ordres élevées à très haute cadence (relatif au domaine d’expertisedu CELIA). Ces deux applications sont traitées au cours du troisième chapitre.A la vue des limitations observées et afin de disposer de chaînes lasers plus énergétiques et offrant des duréesd’impulsions encore plus courtes, une nouvelles architecture d’amplification a été proposée : le pompage fortebrillance de matériaux dopés Ytterbium. Ce concept présenté dans le dernier chapitre utilise le développement desources fibrées monomodes continues émettant à 976 nm. Cette architecture d’amplification a été utilisée afin deréaliser d’une part un oscillateur sub-70 fs et de forte puissance moyenne (>2,3 W) à une cadence de 73 MHz etd’autre part : un amplificateur type « booster » à fort gain. Deux expériences qui ont été réalisées avec des cristauxd’Yb:CaF2. Ce matériaux présente en effet l’avantage d’avoir un très large spectre d’émission (>60 nm) propice à lagénération et amplification d’impulsions femtosecondes mais aussi d’être « compatible » avec les chaînes de trèsforte puissance grâce à sa très bonne conductivité thermique
This work concerns the development of high repetition rate femtosecond lasers with high average power (>10 W)and energies in excess of 100 μJ. Such lasers are paramount for the development of new industrial applications(athermal micro-drilling, eye surgery, ...) and for fundamental research on high repetition rate laser matter interactionstudies.After a brief introduction and the state of the art summary on high-average power femtosecond laser with ytterbiumdoped materials, a compact high-average power femtosecond laser with a large mode area microstructured rod typeamplifier will be presented. It will browse the main limitations in terms of energy and average power. Limitationsare mainly due to the strong confinement of the electric field propagating in the fibre core leading to non-linear effectsaccumulated during the amplification. On the other hand, for larger core diameter (> 70 μm), the fundamental modeguiding (TEM00) is very weak and thus very sensitive to the internal thermal load of the fibre.This laser source has been used in two specific applications: athermal drilling of thick stainless steel plate for mineclearing(an application of interest for the Direction Générale de l’Armement) and High order Harmonics Generationat high repetition rate (related to CELIA activities). These two applications are presented in the third chapter.In order to stretch the limits and generate more energetic and a shorter pulse, a new amplification scheme has beenproposed, namely high brightness optical pumping of ytterbium doped materials. This concept presented in the lastchapter benefits from the development of high average power single-mode fibre lasers source emitting at 976 nm.This amplification scheme allowed us to realize a high average power Kerr-lens oscillator delivering pulses with apulse duration below than 70 fs and an average power of 2.3W at a repetition rate of 73 MHz. In a second phase, wealso developed a « booster » amplifier with a high single- pass-gain. These two results have been obtained by usingYb-doped CaF2 crystals. This material presents the advantage to have a very broad emission bandwidth (> 60nm)suitable to generate and amplify femtosecond pulses and to be compatible with high average power laser due to hisvery good thermal conductivity

L’objectif du présent travail est de développer une nouvelle technologie d’analyse sanguine sans contact. La méthode de texturation par laser femto a été utilisée pour réaliser des géométries de surface ayant des propriétés mouillantes pour favoriser l’étalement du sang. Les cartographies complètes de l'interaction laser-matière ont été construites pour l’acier inoxydable et le verre afin d’identifier les valeurs seuils pour les différents régimes d’interaction. Les paramètres de traitement laser dynamique pour ces matériaux ont été déterminés, en vue de fabriquer des surfaces structurées avec des motifs de différentes tailles. Pour répondre à la demande d’une production de masse à faible coût de surfaces fonctionnelles le concept de transfert des motifs, fabriqués par laser à partir de moules en acier, sur des polymères à été étudié. La réplication des géométries à l'échelle micronique, submicronique et à double échelle a été réalisée avec succès sur la surface du plusieurs centimètres carrés. La mouillabilité en fonction de la taille et du type de structure a été établie et des géométries super-mouillantes ont été identifiées. Des tests de mouillabilité avec du sang humain ont montré une dynamique hémi-wicking avec un étalement partiel. Un étalement total a été enregistrée pour le sang dilué à l'eau, suivi de la formation de monocouches de cellules sanguines. La mouillabilité des structures sur acier, fabriquées principalement pour les tests de réplication en polymères, a également été mesurée. Après la formation de la couche d'oxyde naturelle sur la surface, un angle de contact très élevé avec l'eau a été mesuré (145,7°)
The purpose of the present work is to develop a new technology for non-contact blood analysis. Femtosecond pulsed lasers were used to introduce surface geometries that have super-wetting properties for human blood fluid. Complete laser-matter interaction cartographies for stainless steel sample and glass were built to identify threshold values for different regimes. Dynamic laser processing parameters for these materials were determined, in order to fabricate surfaces with desired structures at micro and sub-micron scales, as well as at double scale. To meet the demand of high volume and cost-effective production of super-wetting surfaces, concept of laser fabricated pattern transfer from stainless steel molds to polymers was studied.Successful replication of laser induced micro-scale, sub-micron scale and double scale geometries on surface area in the order of few square centimeters was reported. Wettability as a function of the size and type of surface structures was established. Spreading tests with human blood exhibited hemi-wicking dynamics with partial spreading. A complete wetting was recorded for water diluted blood followed by formation of single layer blood cells. Primarily fabricated for polymer replication tests, wettability of steel mold was also measured. Once natural oxide layer was formed on the surface, ultra-high water contact angle was measured (145.7°)