Acoustique picoseconde

La technique acoustique picoseconde permet la génération et la détection d'ondes sonores de hautes fréquences par des impulsions lumineuses ultracourtes. C’est une méthode non-destructive et sans contacts, dans laquelle une impulsion acoustique picoseconde pénètre dans des films minces ou des nanostructures. Cette technique est parfois appelée technique optique picoseconde.

Vue générale

Cette technique a été inventée par H.Maris et son équipe a l'universite Brown. Ils ont observe la vibration d'un film d'As₂Te₃ soumis a une breve impulsion lumineuse. ^[1]

Dispositif experimental de la technique acoustique picoseconde.

Le principe général est le suivant (voir figure ci-contre): une impulsion laser de pompe permet de générer un paquet d'ondes acoustiques qui va se propager dans l'échantillon. Le faisceau sonde, décalé en temps grâce a une ligne a retard, permet de mesurer les variations de réflectivité en fonction du temps. Les signaux a détecter étant faibles, on utilise un modulateur acousto-optique (MAO) associe a une détection synchrone.

Génération et détection

Génération : l'échauffement brutal de la surface provoque la dilatation du matériau et l'envoi d'un train d'ondes élastiques. Dans le cas d'un matériau transparent non-absorbant, on recouvre celui-ci d'un mince film absorbant, qu'on appelle aussi transducteur (par analogie avec les techniques de génération d'ultrasons).

Détection : la ligne a retard permet de retarder le faisceau sonde et donc de mesurer la réflectivité totale a des temps différents. La brusque montée en température provoque un changement brutal de réflectivité, qui correspond a la coïncidence des impulsions de pompe et de sonde a la surface de l'échantillon. L'échantillon se refroidit lentement et on observe une lente descente vers le niveau moyen. En plus, on peut observer les phénomènes suivants :

• La vibration du film transducteur qui recouvre les échantillons transparents, sous la forme d'oscillations fortement amorties dans la reflectivite.
• Lorsque l'impulsion rencontre une interface, une partie est réfléchie et revient a la surface. Il se produit alors une variation des propriétés optiques de la couche. Les variations de réflectivité détectées sont appelées un "écho", par analogie avec l'echolocation. Le temps d'aller-retour permet de déduire l'épaisseur ou la vitesse du train d'ondes.
• Dans le cas d'une impulsion générée en profondeur, celle-ci possède une forme monopolaire (c'est-a-dire une nature uniquement compressive). Son retour en surface entraine une variation de l'épaisseur de la couche et donc un saut de réflectivité du aux effets de résonance optique (les couches nanométriques transparentes se comportant comme des cavités de Fabry-Pérot).
• Dans certains conditions, on observe des oscillations périodiques. En effet, une partie du faisceau sonde est réfléchie par le train d'ondes acoustiques qui se comporte comme une interface mobile se déplaçant a une vitesse v_l. Le déphasage varie entre les faisceaux qui interfèrent, ce qui provoque l'apparition d'oscillations dans la réflectivité, appelées oscillations Brillouin. La période de celles-ci dépend de la longueur d'onde λ de la lumière sonde

ou n est l'indice optique, v_l est la vitesse longitudinale et α est l'angle d'incidence interne. Ces oscillations peuvent être atténuées, soit par l'absorption optique, soit par l'atténuation acoustique.

Résultats : d'une part, cette technique permet de mesurer les épaisseurs d'échantillons nanostructurés. Elle est utilisée de façon courante dans l'industrie de la microélectronique, notamment par la société Rudolph Technologies Inc qui commercialise une gamme de dispositifs de métrologie (Meta-Pulse) ^[2]. D'autre part, elle donne accès a la vitesse acoustique.

Notes et références

Voir aussi

• hypersons
• modulateur acousto-optique
• diffusion Brillouin