Modeling and simulation of dielectric ionization by femtosecond pulses

Les lasers femtosecondes sont des outils efficaces pour induire des modifications, des variations d’indice ou former des nano-vides au sein des matériaux diélectriques. La distribution d'énergie laser déposée est généralement calculée à partir de modèles reposant sur l'hypothèse de quasi-neutralité du plasma d’électrons-trous et en négligeant le transport des porteurs de charge. Ces hypothèses ne sont pas nécessairement vérifiées dans le cas d’une illumination laser par faisceaux de Bessel femtosecondes fortement focalisés, qui peuvent générer des nano-vides dans les diélectriques. Dans ce travail de thèse, nous avons développé un modèle théorique de plasma à deux fluides permettant de décrire le dépôt d'énergie laser à échelle nanométrique dans le volume des diélectriques, en prenant en compte les phénomènes de transport des électrons et des trous, les ondes plasmas, la photoionisation, l'ionisation par impact, la diffusion électron/trou et la diffusion avec les phonons. Une étude du dépôt d'énergie laser par une impulsion femtoseconde mise en forme de faisceau de Bessel dans le saphir a été réalisée. Cette étude a montré que la dynamique des trous, le transport et les phénomènes de non-neutralité peuvent fortement influer sur la distribution du plasma généré et sur l’absorption de l’énergie laser.Femtosecond lasers are powerful tools to induce modifications, index variations or nano-voids within dielectric materials. The laser deposited energy distribution is usually calculated from models based on quasi-neutrality assumption of electrons-holes plasma and while neglecting transport of charge carriers. These assumptions are not necessarily checked in the case of laser illumination by highly focused femtosecond Bessel beams, which can generate nano-voids within dielectrics. In this thesis work, we developed a theoretical two-fluid plasma model describing laser deposited energy at the nanometric scale, by taking into account electrons-holes plasma transport, plasma waves, photionization, impact ionization, electrons-holes scattering and scattering on phonons. A study of laser deposited energy in sapphire by femtosecond Bessel beams was realized. This study showed that holes dynamic, transport and quasi-neutrality phenomena can strongly affect the generated plasma distribution and laser energy absorption