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Dialogue du 29 août 2023

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par Mangirdas Malinauskas

La lithographie multiphotonique (MPL) est une technique qui utilise des impulsions laser ultra-courtes pour créer des structures tridimensionnelles (3D) complexes à l'échelle micro et nanométrique. Il est basé sur le principe de l'absorption multiphotonique (MPA), qui se produit lorsque deux photons ou plus sont simultanément absorbés par une molécule, ce qui entraîne un processus optique non linéaire.

En focalisant le faisceau laser sur un matériau photosensible, tel qu'une photorésiste ou un prépolymère, l'absorption multiphotonique induit une réaction chimique localisée qui modifie les propriétés du matériau. En balayant le faisceau laser et/ou en traduisant l'échantillon en trois dimensions, la forme souhaitée peut être fabriquée avec une résolution et une précision élevées sans aucune restriction géométrique. Cela permet la réalisation de la nano-impression laser 3D en tant que technique de fabrication additive.

Le MPL a déjà de nombreuses applications dans des domaines tels que la micro-optique, les dispositifs nanophotoniques, les métamatériaux, les puces intégrées et l'ingénierie tissulaire. Il peut créer des structures impossibles ou difficiles à réaliser par les méthodes de lithographie conventionnelles, telles que des surfaces courbes, des structures creuses et des dégradés fonctionnels. Cela peut également permettre la fabrication de nouveaux matériaux dotés de propriétés optiques, mécaniques et biologiques adaptées.

Bien que les configurations MPL soient disponibles dans le commerce, la compréhension des mécanismes photophysiques et photochimiques reste controversée, car la plupart des sources laser courantes sont choisies pour avoir une longueur d'onde de 800 nm, tandis que d'autres, populaires, de 515 nm ou 1 064 nm, se sont également révélées appropriées.

Cependant, la théorie unique et la plus populaire de l’absorption à deux photons ne peut pas être appliquée pour expliquer toutes les différentes conditions expérimentales et les résultats obtenus. Cette question est importante pour le développement ultérieur des sources laser et la construction de machines de nano-impression 3D à haut débit orientées vers les exigences industrielles.

Nous avons étudié la MPL, également connue sous le nom de polymérisation à deux photons (2PP) ou simplement de nano-impression 3D au laser, à l'aide d'un laser femtoseconde accordable en longueur d'onde. Nous avons découvert que nous pouvions utiliser n'importe quelle couleur du spectre compris entre 500 et 1 200 nm avec une largeur d'impulsion fixe de 100 fs pour obtenir une interaction de mécanismes photophysiques plus délicate qu'une simple photopolymérisation à deux photons.

Nous avons évalué l'ordre effectif d'absorption, c'est-à-dire l'absorption des photons X, ainsi que les conditions d'exposition optimales pour le prépolymère SZ2080 photosensibilisé et pur. Nous avons découvert que l'accordabilité de la longueur d'onde influençait grandement la fenêtre de fabrication dynamique (DFW), ce qui la multipliait par 10 lorsqu'elle était optimisée.

De plus, nous avons observé un dépôt d'énergie non trivial par absorption de photons X avec l'apparition d'une forte augmentation de taille latérale à des longueurs d'onde plus longues et avons expliqué que cela était dû à l'atteinte de conditions epsilon proches de zéro (ENZ). Un tel contrôle du rapport hauteur/largeur du voxel et, par conséquent, du volume photopolymérisé, pourrait augmenter l’efficacité de la nano-impression 3D.

Nous avons également étudié l'évolution du volume polymérisé lors de l'écriture laser directe (DLW) via différents mécanismes de délivrance d'énergie : absorption à un/deux/trois photons, ionisation par avalanche et diffusion thermique conduisant à une photo-polymérisation contrôlée. Nous avons montré que la nanolithographie 3D avec des impulsions ultra-courtes dans une large plage spectrale du visible au proche infrarouge de 400 à 1 200 nm se déroule via une excitation multiphotonique définie par un ordre d'absorption effectif. Nos recherches sont publiées dans la revue Virtual and Physical Prototyping.