Etude de la dynamique thermo-élastique dans les films métalliques en acoustique picoseconde non linéaire par l'observation de solitons acoustiques
Institution:
Paris 6Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis aims at studying the dynamics of the thermoelastic strain generated by laser pulses in thin metallic films at low temperature by observing solitary acoustic waves called solitons. Solitons are physical objects of remarkable properties. They have been generated and detected by the picosecond acoustics technique after nonlinear propagation in gallium arsenide, sapphire or silicon substrates. Thus we have demonstrated that analysing a soliton's profile allows the absolute calibration of the experimental setup or allows to retrieve the substrate's and metallic film's physical constants. Thanks to the analogy solitons/eigenstates (initial strain/quantum well), we have demonstrated that measuring the solitons' time distribution allows to retrieve the initial strain profile which produced it. As predicted by the two temperature model, we have verified experimentally that the thermoelastic strain is stronlgy affected by electronic conduction in an aluminium film, in stark contrast to titanium films. Furthermore, nonlinear picosecond acoustics broadens the acoustic spectrum up to the terahertz range. This property has been used to measure the absorption in a thin layer of silica at 60 K and up to 650 GHz. As a conclusion, through the characterisation of solitons, non linear picosecond acoustics is an efficient method for studying the thermoelastic generation in a strongly nonlinear regime, especially when the laser fluence is close to the ablation threshold of metallic films.
Abstract FR:
Cette thèse a pour but l'étude de la dynamique de la contrainte thermo-élastique engendrée par des impulsions laser dans des films métalliques minces à basse température par l'observation d'ondes acoustiques solitaires appelées solitons. Les solitons sont des objets physiques aux propriétés remarquables. Ils ont été engendrés et détectés grâce à la technique d'acoustique picoseconde après propagation non linéaire dans des substrats d'arséniure de gallium, de saphir ou de silice. Nous avons ainsi démontré que l'analyse du profil d'un soliton permet d'étalonner de façon absolue le dispositif expérimental ou de retrouver les constantes physiques propres au substrat et au film métallique. Grâce à l'analogie solitons/états liés (déformation initiale/puits quantique), nous avons démontré que la mesure de la distribution temporelle des solitons permet de remonter à l'impulsion de déformation initiale qui les a produits. Comme prédit par le modèle à deux températures, nous avons vérifié expérimentalement que la déformation thermo-élastique est très affectée par la conduction électronique dans un film d'aluminium, contrairement au cas d'un film de titane. Par ailleurs, l'acoustique picoseconde non linéaire permet d'élargir le spectre acoustique jusqu'au térahertz. Cette propriété a été exploitée pour mesurer l'absorption d'une fine couche de silice à 60 K et jusqu'à 650 GHz. En conclusion, par la caractérisation des solitons, l'acoustique picoseconde non linéaire est une méthode performante pour étudier la génération thermo-élastique en régime fortement non linéaire, notamment quand la fluence laser est proche du seuil d'ablation du film métallique.