Génération et détection par couplage élasto-optique tridimensionnel de champs acoustiques picosecondes diffractés

L’absorption d’une impulsion laser crée un échauffement localisé suivi d’une brusque dilatation. Dès lors, un champ acoustique de plusieurs dizaines de gigahertz peut être généré. Cette méthode optique sans contact et non destructive possède des applications en micro-électronique pour la caractérisation de structures nanométriques, mais également dans des domaines plus fondamentaux. Jusqu’`à présent, la dimension latérale de la tache focale des impulsions laser était très grande devant l’épaisseur des films considérés. Dès lors, la génération était unidimensionnelle et seules des ondes acoustiques planes pouvaient être engendrées. Récemment, l’utilisation de sources laser focalisées a permis de générer par diffraction des champs acoustiques tridimensionnels (3D). Lorsque des impulsions d’une durée inférieure à la picoseconde sont employées dans les métaux, une approche macroscopique n’est plus suffisante. Il est alors nécessaire d’expliciter les évolutions microscopiques impliquées dans le processus de génération. Ainsi, une méthode semi-analytique basée sur un modèle à deux températures 3D est développée dans la première partie de ce mémoire afin de décrire les phénomènes électroniques. En se propageant, l’onde acoustique divergente module l’indice optique en temps et en espace par couplage élasto-optique. La propagation de la lumière est alors perturbée, et sa mesure permet de caractériser la propagation acoustique. Dans la seconde partie de ce mémoire, l’interaction 3D de l’impulsion laser gaussienne avec le champ acoustique diffracté est donc modélisée.The absorption of a laser pulse creates a localized heating, followed by a sudden dilatation. Thereby, an acoustic field of several tens of gigahertz can be launched. This optical method is applied to microelectronics to characterise nanometric films non-destructively and without contact, but also to more fondamental fields. Until now, the lateral size of the laser spot was very large compared to the films thicknesses. Thus, generation was one-dimensional, and only acoustic plane waves could be engendered. Recently, the use of focused laser sources has allowed the generation of three-dimensional (3D) diffracted acoustic fields. When pulses shorter than a picosecond are absorbed in metals, a macroscopic approach is not relevant anymore. It is then necessary to describe the microscopic evolutions implied in the generation process. Thus, a semi-analytical method based on a 3D two-temperature model is developed in the first part of this thesis to describe the electronic phenomena. While propagating, the divergent acoustic field modulates the optical indices in time and space through the elasto-optic interaction. The light propagation is thereby perturbed, and its measurement allows the characterization of the acoustic propagation. In the second part of this thesis, the 3D interaction of the Gaussian laser pulse with the diffracted acoustic field is therefore modeled

Beam distortion detection and deflectometry measurements of gigahertz surface acoustic waves

Gigahertz acoustic waves propagating on the surface of a metal halfspace are detected using different all-optical detection schemes, namely, deflectometry and beam distortion detection techniques. Both techniques are implemented by slightly modifying a conventional reflectometric setup. They are then based on the measurement of the reflectivity change but unlike reflectometric measurements, they give access to the sample surface displacement. A semi-analytical model, taking into account optical, thermal, and mechanical processes responsible for acoustic waves generation, allows analyzing the physical content of the detected waveforms

Propagation acoustique GHz dans le noyau de cellules biologiques : analogie avec les réseaux fibrés

Nous utilisons la technique d'acoustique picoseconde pour sonder les propriétés mécaniques de cellules individuelles. Nous décrivons d'abord l'application à la paroi de cellules végétales dont la structure bien documentée nous sert de modèle pour comprendre la propagation acoustique GHz dans les réseaux biologiques fibreux. La comparaison avec un modèle d'homogénéisation révèle l'influence des liaisons d'hémicellulose, conduisant à un comportement iso-déformation où le réseau élastique de fibres de cellulose domine la réponse acoustique GHz. Nous étudions ensuite des cellules animales, et nous analysons les résultats par analogie avec ceux obtenus dans les cellules végétales. Un comportement iso-déformation est également identifié, cette fois-ci attribué à la présence de friction entre le réseau de fibres de chromatine et le liquide intra-nucléaire. Ces résultats offrent une meilleure compréhension des propriétés mécaniques du noyau, et permettront d'étudier la dynamique du réseau de chromatine pendant des processus cellulaires tels que la différentiation ou la morphogénèse

Génération et détection par couplage élasto-optique tridimensionnel de champs acoustiques picosecondes diffractés

The absorption of a laser pulse creates a localized heating, followed by a sudden dilatation. Thereby, an acoustic field of several tens of gigahertz can be launched. This optical method is applied to microelectronics to characterise nanometric films non-destructively and without contact, but also to more fondamental fields. Until now, the lateral size of the laser spot was very large compared to the films thicknesses. Thus, generation was one-dimensional, and only acoustic plane waves could be engendered. Recently, the use of focused laser sources has allowed the generation of three-dimensional (3D) diffracted acoustic fields. When pulses shorter than a picosecond are absorbed in metals, a macroscopic approach is not relevant anymore. It is then necessary to describe the microscopic evolutions implied in the generation process. Thus, a semi-analytical method based on a 3D two-temperature model is developed in the first part of this thesis to describe the electronic phenomena. While propagating, the divergent acoustic field modulates the optical indices in time and space through the elasto-optic interaction. The light propagation is thereby perturbed, and its measurement allows the characterization of the acoustic propagation. In the second part of this thesis, the 3D interaction of the Gaussian laser pulse with the diffracted acoustic field is therefore modeled.L'absorption d'une impulsion laser crée un échauffement localisé suivi d'une brusque dilatation. Dès lors, un champ acoustique de plusieurs dizaines de gigahertz peut être généré. Cette méthode optique sans contact et non destructive possède des applications en micro-électronique pour la caractérisation de structures nanométriques, mais également dans des domaines plus fondamentaux. Jusqu'à présent, la dimension latérale de la tache focale des impulsions laser était très grande devant l'épaisseur des films considérés. Dès lors, la génération était unidimensionnelle et seules des ondes acoustiques planes pouvaient être engendrées. Récemment, l'utilisation de sources laser focalisées a permis de générer par diffraction des champs acoustiques tridimensionnels (3D). Lorsque des impulsions d'une durée inférieure à la picoseconde sont employées dans les métaux, une approche macroscopique n'est plus suffisante. Il est alors nécessaire d'expliciter les évolutions microscopiques impliquées dans le processus de génération. Ainsi, une méthode semi-analytique basée sur un modèle à deux températures 3D est développée dans la première partie de ce mémoire afin de décrire les phénomènes électroniques. En se propageant, l'onde acoustique divergente module l'indice optique en temps et en espace par couplage élasto-optique. La propagation de la lumière est alors perturbée, et sa mesure permet de caractériser la propagation acoustique. Dans la seconde partie de ce mémoire, l'interaction 3D de l'impulsion laser gaussienne avec le champ acoustique diffracté est donc modélisée

Table ronde

Temps de discussion à l'issue de la session <i>Ultrasons laser, interactions son-lumière</i>

Génération et détection par couplage élasto-optique tridimensionnel de champs acoustiques picosecondes diffractés

L'absorption d'une impulsion laser crée un échauffement localisé suivi d'une brusque dilatation. Dès lors, un champ acoustique de plusieurs dizaines de gigahertz peut être généré. Cette méthode optique sans contact et non destructive possède des applications en micro-électronique pour la caractérisation de structures nanométriques, mais également dans des domaines plus fondamentaux. Jusqu'à présent, la dimension latérale et la tache focale des impulsions laser était très grande devant l'épaisseur des films considérés. Dès lors, la géne ration était unidimensionnelle et seules des ondes acoustiques planes pouvaient être engendrées. Récemment, l'utilisation de sources laser focalisées a permis de générer par diffraction des champs acoustiques tridimensionnels (3D). Lorsque des impulsions d'une durée inférieure à la picoseconde sont employées dans les métaux, une approche macroscopique n'est plus siffisante. Il est alors nécessaire d'expliciter les évolutions microscopiques impliquées dans le processus de génération. Ainsi, une méthode semi-analytique basée sur un modèle à deux températures 3D est developpée dans la première partie de ce mémoire afin de décrire les phénomènes électroniques. En se propageant, l'onde acoustique divergente module l'indice optique en temps et en espace par couplage élastooptique. La propagation de la lumière est alors perturbée, et sa mesure permet de caractériser la propagation acoustique. Dans la seconde partie de ce mémoire, l'interaction 3D de l'impulsion laser gaussienne avec le champ acoustique diffracté est donc modélisée.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocTOULOUSE3-BU Sciences (315552104) / SudocSudocFranceF

Nanoscale mechanical contacts probed with ultrashort acoustic and thermal waves

Using an ultrafast optical technique we measure coherent phonon-pulse reflection from - and heat flow across - a mechanical contact of nanoscale thickness between a thin metal film and a spherical dielectric indenter. Picosecond phonon wave packets at ∼50 GHz returning from this interface probe the pressure distribution, the contact area, and the indentation profile to subnanometer resolution, revealing the film deformation in situ. These measurements and simultaneous thermal-wave imaging at ≳1 MHz are consistent with significant enhancement of phonon transport across the near-contact nanogap

Oblique laser incidence to select laser-generated acoustic modes

The purpose of this paper is to study the effect of a non-normal optical penetration due to an obliquely incident laser source. It is shown that the loss of symmetry due to such a penetration influences specific bulk acoustic modes. For a given detection position, increase in shear wave amplitude is obtained by orienting the incident laser source. 1. Introduction Since the first quantitative approaches in the 60's [1], a large number of studies has been conducted to better understand the generation of laser-generated acoustic waves. Models for the acoustic generation in the thermoelastic regime, taking into account the optical penetration of the source [2] or the effect of source width [3], were developed. A more general approach based on Green's function formalism also included thermal diffusion in the medium [4]. These works have dealt with the modeling of a circular spot of laser illumination. However, modeling of the acoustic field generated by a line source is of interest, since the signal-to-noise ratio may be increased in this experimental situation [5]. All the works cited above assume a normal incidence of the laser beam with respect to the illuminated surface of the sample. The purpose of this paper is to analyse the effects of oblique incidence on acoustic waves generated by a line-focused laser source. We present a theoretical model accounting for the effects of optical penetration, finite width of the beam and pulse duration of the laser source. The absorbed energy density is first calculated by solving Maxwell's equations. Then the thermoelastic equations are solved to obtain the displacement field through a semi-analytical calculation based on a double Fourier transform in space and time. It is shown that oblique incidence increases shear wave amplitude. Changes of the longitudinal waveforms are also discussed

Semi-analytical time-reversal imaging of a volume source in solids

Based on the ability of acoustic waves to relive their past life, the time-reversal principle is of great interest for acoustic imaging. Many applications deal with focusing in soft materials. However, few applications concern solids because compressional- and shear-wave velocities are of the same order of magnitude, leading to mode conversion at interfaces. Moreover, only surface sources have been considered in solids. The purpose of this work is therefore twofold: imaging a volume acoustic source in a solid. The volume source is obtained by focusing a laser beam to a line with finite lateral dimension on the surface of a plate. The laser beam penetrates over a depth depending on the optical properties of the material. The normal displacements caused by acoustic waves generated by this volume source are measured at a surface of the plate. To analyze the optimal experimental configuration, normal displacements representing accurately the typical laser-ultrasonics data are computed. The time-reversal process, i.e., the playback of these normal displacements that leads to the reconstruction of the volume source, is experimentally complicated in laser-ultrasonics. A semi-analytical modeling is thus developed. Simultaneous imaging of the lateral dimension and penetration of the source is obtained and limitations are discussed