MINISETRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

MINISETRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI, TIZI-OUZOU
FACULTE DES SCIENCES
DEPARTEMENT DE PHYSIQUE
THESE DE DOCTORAT
SPECIALITE : Physique
OPTION : Physique des Matériaux
Présentée par
Mr. Madjid DJOUDER
Sujet :
MODELISATION DE LA FORMATION DES NANOSTRUCTURES
OBTENUES PAR ABLATION LASER EN REGIME FEMTOSECONDE
Devant le jury d'examen composé de :
Mr. Mouloud BENNAKI Professeur UMMTO Président
Mr. Omar LAMROUS Professeur UMMTO Rapporteur
Mr. El-Hachemi AMARA Directeur de Recherche CDTA Examinateur
Mr. Mohamed KHELKHAL Maître de Conférence USTL de Lille, France Examinateur
Mr. Omar ZIANE Professeur USTHB Examinateur
Soutenue le 11 Novembre 2012

Remerciements
Je suis très reconnaissant à Monsieur Omar LAMROUS, Professeur à l’UMMTO,
pour la confiance qu’il m’a accordée en m’accueillant dans son équipe au sein du
Laboratoire de Physique et de Chimie Quantique (LPCQ). Son soutien et sa disponibilité
m’ont beaucoup aidé pour mener à bien ce présent travail. Qu’il veuille bien croire à
l’expression de ma haute considération.
Je remercie Monsieur M. BENNAKI, Professeur à l’UMMTO, de m’avoir fait
l’honneur de présider le jury de soutenance.
Mes remerciements vont également aux messieurs E.H. AMARA, Directeur de
Recherche au CDTA, M. KHELKHAL, Maître de Conférence à l’Université Lille 1 et à
M. O. ZIANE, Professeur à L’USTHB, d’avoir accepté d’examiner ce travail de thèse.
Qu’ils veuillent bien trouver ici l’expression de ma profonde gratitude.
Je tiens à remercier vivement Madame Tatiana ITINA, Directeur de Recherche au
CNRS (Laboratoire Hubert Curien, St Etienne, France), pour son aide tout au long du
travail, notamment la documentation qu’elle a eu l’amabilité de me fournir.
Je ne saurais remercier assez mes parents, mes frères et ma sœur pour leur
disponibilité ainsi que ma femme qui a beaucoup contribué au bon déroulement de mon
travail.
Un grand merci amical aux membres de l’équipe du LPCQ qui ont su installer un
climat des plus favorables au travail de recherche.

Table des matières
Introduction 4
1 Laser femtoseconde. Nanostructures 8
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Génération des pulses ultracourts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Blocage de Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Blocage de Mode par un absorbant saturable . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 Blocage de Mode par composant Non-Linéaire (SFG ou e¤et Kerr) 12
1.4 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Amplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Applications du Laser femtoseconde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7 Nanostructuration de la surface ablatée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7.1 Les stries (ripples) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7.2 Les autres structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7.3 Intérêts pratiques dans le photovoltaïque et la détection . . . . 24
2 Processus dinteraction rayonnement-matière 28
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Mécanismes dabsorption dun rayonnement électromagnétique . . . . . 29
2.2.1 Bremsstrahlung inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Absorption intra-bande et ionisation . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.3 Di¤usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 La relaxation de lénergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Relaxation électrons-électrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1

2.3.2 Relaxation électron-phonon dans les métaux . . . . . . . . . . . 36
2.3.3 Temps de relaxation (ou fréquence de collision) . . . . . . . . . 37
2.4 Propriétés optiques dun solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5 Modèle de Drude-Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6 Mécanismes de formation des stries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.1 Mécanisme dinterférence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.2 Mécanisme coulombien et de di¤usion paramétrique . . . . . . . 47
3 Modèles de simulation de linteraction Laser-matière 51
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Modèle à deux températures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Modèle hydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.1 Equation détat de la matière chaude et dense . . . . . . . . . . 58
3.3.2 Modèle de conductivité électronique dans les plasmas chauds et
denses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.3 Résultats et discussions sur la chronologie de lablation femtose-
conde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 Methode particulaire PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4 Mécanisme de formation des stries 69
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Modèle adopté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1 Discrétisation de léquation du mouvement . . . . . . . . . . . . 73
4.2.2 Stabilité de lalgorithme Leap-frog . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.3 Conditions aux bords . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.4 Algorithme de la méthode PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3 Simulation dun modèle électrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.1 Résolution de léquation de Poisson : méthode spectrale . . . . . 80
4.3.2 Resultats de la simulation électrostatique . . . . . . . . . . . . . 82
4.4 Simulation dun modèle électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.1 Méthode FDTD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.2 Resultats de la simulation électromagnétique . . . . . . . . . . . 91
2

5 Conclusion 104
Conclusion 104
Bibliographie 107
3