Design of a multilayer opto-acoustic transducer for picosecond ultrasonics

L’acoustique picoseconde est une technique sans contact utilisée pour générer et détecter optiquement des ondes acoustiques au contenu fréquentiel supérieur au GHz. Elle permet de mesurer, avec des impulsions lasers femtosecondes, les changements de réflectivité provoqués par les ondes acoustiques, qui se propagent dans la structure et qui sont générées par effet photo-thermo-élastique. Non-invasive et de résolution spatiale sub micrométrique, la méthode est employée pour étudier les propriétés mécaniques de structures telles que des films minces ou des cellules biologiques. Nous présentons dans ce travail la conception d’un nouveau transducteur servant à augmenter la sensibilité de la mesure aux perturbations acoustiques. Pour maximiser le rapport signal sur bruit, nous utilisons la sensibilité d’une cavité optique aux variations de son épaisseur. Nous avons élaboré un code de prédiction, avec un formalisme de matrices de transfert, pour étudier la physique d’un transducteur multicouche, composé de couches transparentes et absorbantes. Ainsi, au regard d’arguments optiques et acoustiques, nous avons tout d’abord dimensionné et réalisé un transducteur tri- couche. Nous avons confronté les réponses opto-acoustiques, mesurées en réflexion et en transmission, avec celles obtenues à l’aide de la simulation. Puis, nous avons étudié la sensibilité du nouveau transducteur en fonction de la longueur d’onde du faisceau sonde. Enfin, nous avons comparé les amplitudes des signaux mesurés dans des transducteurs usuel et tri-couche.Picosecond ultrasonics is a contactless technique that offers the possibility to optically generate and detect acoustic waves with an unequalled frequency bandwidth (above GHz). With femtosecond lasers pulses, it measures the reflectivity change caused by acoustic waves which propagate in the whole structure and which are generated by the photo-thermo-elastic effect. Its sub-micrometric spatial resolution and its non-invasive nature allow the mechanical characterization of micrometric structures such as thin layers or biological cells. In order to improve the sensitivity of the measurement to acoustic disturbances, we present in this work the design of an innovative transducer. To maximize the signal to noise ratio, we use the sensitivity of an optical cavity to changes of its thickness. A predictive code based on the transfer matrix formalism has been developed to study the physical response of a multilayer transducer composed of transparent and absorbing layers. Thanks to both the simulations of optical and acoustical fields, we were able to design and build a three-layer transducer. Both reflectivity measured in reflexion and transmission were compared to simulation results. Then, the sensitivity of a new transducer to acoustic disturbances was studied according to the wavelength of the probe beam. Finally, we characterize the amplitude gain obtained by the use of the new transducer in relation to usual transducer