Les impulsions laser femtosecondes sont couramment utilisées pour étudier ou concevoir de nouvelles structures pour de multiples applications en nanotechnologie, chimie, physique du solide, sciences de la vie, et aujourd’hui dans les procédés industriels (micro-usinage par ex.). À faible énergie, ces impulsions ultracourtes peuvent exciter une dynamique ultrarapide dans les échantillons étudiés, ou, à plus forte intensité, induire des modifications stables créant de nouvelles nanostructures aux propriétés physiques uniques.
La thèse de Pavel Varlamov [1] et une publication associée parue dans Nanomaterial [2] exposent une méthode de fabrication de cavités de taille micrométrique, produites par délamination induite par une impulsion laser femtoseconde. Pour une impulsion de haute énergie, le phénomène est observé sur des couches minces métalliques et des multicouches ferromagnétiques [3].
Les impulsions laser de basse énergie permettent de caractériser quasi in situ ces nanostructures par différentes techniques nano-optiques non destructives : microscopies interférométriques, photo-acoustique ultrarapide et magnéto-plasmonique.
À partir d’échantillons en couches minces ou en multicouches, des nanostructures peuvent être obtenues par délamination, c’est-à-dire par une séparation locale des couches. Le principe de la délamination par laser femtoseconde (DLF) est assez simple : des impulsions laser uniques sont focalisées sur le film mince ou la multicouche à travers un substrat optiquement transparent. L’épaisseur du film et les conditions de focalisation du laser (la fluence laser) sont choisies de manière à ce que seule la partie centrale du film excité se sépare du substrat, formant ainsi des cavités fermées. Selon l’excitation laser, leur taille est comprise entre quelque centaines de nanomètres et plusieurs microns. La structure de la cavité ainsi formée peut être ensuite caractérisée par microscopie optique interférentielle pendant le processus de nanofabrication laser.
Fig. 1 a) Une unique impulsion laser femtoseconde de haute énergie (800 nm, 110 fs, 150 MW) focalisée sur un film mince métallique (ou une structure multicouches) produit une cavité fermée de « délaminage par laser femtoseconde –DLF ». (b) Les formes de cavité obtenues sont observées par microscopie interférométrique optique in situ, intégrée au dispositif de nanofabrication.
Les propriétés physiques des cavités obtenues par DLF apparaissent remarquables : la partie délaminée de la membrane forme en effet une cavité « acoustique » de haute qualité. Par microscopie photo-acoustique résolue en temps au moyen d’impulsions laser de faible énergie (< 1/100ème de celle des impulsions de haute énergie créant la structure) il est possible d’enregistrer les impulsions cohérentes de phonons acoustiques se propageant dans la membrane. L’analyse de la dynamique des modes ainsi enregistrée permet d’accéder aux propriétés de ces modes de phonon de ultra-haute fréquence, supérieure à 100~GHz [1,2].
Fig. 2 : Avec des impulsions de faible énergie, il est possible de mesurer par microscopie pompe-sonde à résolution temporelle, la dynamique ultrarapide au sein de cavités FLD, obtenues par délamination laser d’une couche mince de nickel sur un substrat de verre. (b) Les vibrations élastiques sont confinées à l’intérieur de chaque cavité FLD, comme le montrent en (c) les multiples pics du signal de réflectivité résolu en temps.
Un autre système à partir de bicouches cobalt-or sur saphir montre que les cavités obtenues par DLF possèdent des propriétés plasmoniques intéressantes (oscillations collectives électroniques). La séparation obtenue entre la bicouche cobalt-or et le substrat est de l’ordre d’une longueur d’onde optique, soit ~ 500 nm. Cette configuration est une réalisation de la « configuration Otto », dans laquelle la lumière est dirigée vers la couche mince métallique par un prisme dielectrique. L’excitation optimale de plasmons-polaritons de surface (PPS)* est obtenue en séparant le prisme de la couche métallique d’une distance de l’ordre du micron. L’effet de délamination séparant la couche métallique de son support apporte ainsi une configuration simple et optimale pour l’excitation plasmonique.
Par une expérience de magnéto-plasmonique, il est montré qu’il est aussi possible de contrôler l’excitation des PPS en appliquant de faibles champs magnétiques externes de l’ordre de quelques milliTesla [2,3]. La réflectivité est ainsi fonction de l’angle et de l’état de magnétisation selon la direction perpendiculaire au plan d’incidence de la lumière (Effet Kerr magnéto-optique transverse ou T-MOKE). La figure 3 illustre le résultat obtenu.
Fig 3. : a) Une impulsion laser femtoseconde de forte intensité (800 nm, 110 fs, 150 MW) forme une cavité DLF en séparant la bicouche Au/Co du support en saphir, l’ensemble étant monté sur un prisme rotatif. b) Le minimum de réflectivité en fonction de l’angle d’incidence donne la condition d’excitation de la résonance associée à l’excitation des Plasmons-Polaritons de Surface (SPP), également fonction du champ magnétique appliqué.
L’ensemble des résultats obtenus, confortés par leur modélisation numérique [3], montrent ainsi le potentiel des cavités DLF, pour réaliser des dispositifs magnéto-plasmoniques actifs, fonctionnant à des échelles de temps ultrarapides. Les techniques entièrement optiques utilisées, appliquées à des couches minces magnétiques, combinent les avantages de l’excitation par laser femtoseconde, ainsi que la caractérisation des vibrations acoustiques ultra-haute fréquence et la sensibilité à l’aimantation.
* Un plasmon-polariton de surface est un mode particulier d’oscillation électronique collective (plasmon) qui se propage parallèlement à la surface.
Références :
[1] Thèse de Pavel Varlamov : « Femto-second-laser produced nanostructures for advanced magnetic, acoustic and plasmonic applications », P. , PhD Thesis, École Polytechnique, IP Paris (2025)
[2] Femtosecond laser ablation and delamination of functional magnetic multilayers at the nanoscale,
Pavel Varlamov, Jan Marx, Yoav Urbina Elgueta, Andreas Ostendorf, Ji-Wan Kim, Paolo Vavassori, and Vasily Temnov, Nanomaterials 14 (2024) 1488.
[3] « Grazing incidence nanogap resonance in the prism-gap-ferromagnet magneto-plasmonic Otto configuration » P. Varlamov, A. Barros, A. Swaminathan, A. Lomonosov, M. Raynaud and V.V. Temnov, Opt. Lett. 50, 109 (2025).
Contact CEA-IRAMIS : Vasily Temnov – LSI/ Équipe PC-NANO
Collaborations :
- Laboratoire des Solides Irradiés – LSI UMR CEA-CNRS-École Polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91128 Palaiseau, France
- A. Ostendorf, Applied Laser Technologies, RUB Bochum, Germany
- CIC nanoGUNE—BRTA, Donostia—San Sebastian, Spain
- Department of Polymers and Advanced Materials: Physics, Chemistry and Technology, University of the Basque Country 20018 Donostia-San Sebastián, Spain
- Kunsan National University, Kunsan-si, Jeonbuk, Korea.
- IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48009 Bilbao, Spain