This thesis investigates laser micromachining using a high pulse repetition frequency (high-PRF) femtosecond fibre laser. Three different types of industrial-grade metals, Stainless steel, Copper, and Aluminium are investigated. The impact of the processing parameters on material removal is studied. Finally the feasibility of the technology in three dimensional micro structuring is explored. The thesis contributes to clarify the main interaction mechanisms occurring in high-PRF femtosecond laser processing. Heat accumulation and particle shielding are identified as main material removal influencing mechanisms. As a result of heat accumulation, lowered ablation thresholds are detected for Aluminium (0.16 J/cm² at 1.02 MHz versus 0.33 J/cm² at 20 kHz) and Stainless steel (0.088 J/cm² at 1.02 MHz versus 0.11 J/cm² at 20 kHz). For the high heat conductive Copper heat accumulation is largely ruled out. Particle shielding is investigated by ultra high speed camera imaging. It is shown that the ablation plumes enlarge at the higher pulse repetition rates. A parameter study investigates material ablation. From this study, appropriate machining parameters are derived with regard to both high ablation rate and removal efficiency, and small roughness: Aluminium: 5 μm pulse spacing / 5 μJ pulse energy, Copper: 7.5 μm pulse spacing / 7 μJ pulse energy, Stainless steel: 5 μm pulse spacing / 3 μJ pulse energy. In addition experimentally and theoretically determined volume ablation rates are compared. For this, a material removal calculation model is designed. Good agreements between theoretical and experimental values are obtained by taking into account effective penetration instead of optical penetration for energy transport. A surface temperature calculation model is designed, providing useful insights into heat accumulation. Heat accumulation observed for Aluminium and Stainless Steel is confirmed by surface temperature rise, calculated based on the remaining energy. Improvement of the model by enhanced energy coupling yields surface temperatures above the melting temperature. This is conclusive to experimental observations. Finally the feasibility of the high-PRF femtosecond laser technology in micromachining is demonstrated by micro mould fabrication. Utilising these moulds, micro-fluidic plastic demonstrators are fabricated by micro-injection moulding.

Les nanostructures périodiques induites par faisceau laser ont stimulé de nombreuses recherches en raison de leurs applications dans les domaines des technologies micros et nanométriques, telles que la lithographie, la mise en mémoire des données à haute densité, les systèmes nano et micro-électromécaniques (NEMS/MEMS). La dynamique de leur formation sur la surface des couches minces de cuivre (CMC) déposées sur les substrats de silicium et de verre est étudiée dans ce travail. Cette analyse est réalisée en utilisant deux approches de caractérisation : ex situ pour les analyses Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et en transmission (MET), Microscopie à Force Atomique (AFM) et in situ pour les signaux de Réflectométrie en Temps Réel (RRT). Les processus de changement d’état (fusion, ablation, décollement…) et des modifications de la morphologie de surface à l’échelle nanométrique sont étudies en variant un nombre de paramètres clés, à savoir : le dose énergétique (la fluence et le nombre de tirs laser), l’épaisseur des CMC et la nature de substrat en régime d’interaction picoseconde et nanoseconde. En effet, les nanostructures avec une période spatiale de 266 nm (proche de la longueur d’onde laser (λ)), 130 nm (λ/2) et 60 nm (λ/4) sont obtenues. Ces différentes nanostructures périodiques ont été rassemblées dans des cartographies 2D et corrélés à la dose énergétique (fluence et nombre de tirs). Enfin, une tentative d’interprétation des mécanismes de formation des nanostructures périodiques sur les CMC générées en régime laser picoseconde, établie sur la base de nos données expérimentales, semble pertinente avec la théorie d’auto-organisation, notamment pour des nombres de tirs laser importants. / Periodic surface nanostructures induced by laser have attracted particular attention because of their applications in the domain of micro and nanotechnologies such as lithography, high density data storage, nano- and micro-electromechanical systems (NEMS/MEMS). The dynamic of their formation on the surface of copper thin film deposited on silicon and glass substrates was investigated in this present work. Two methods are used in this analysis: ex situ analyses by Scanning and Transmission Electron Microscopy (SEM/TEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and in situ diagnostic by Time Resolved Reflectivity method (TRR). The process of phase change (melting, ablation, thin film removal …) and surface morphology modification at the nanoscale are studied with respect to irradiation dose (the fluence and the number of laser shots), the thickness of thin film and the substrate thermal conductivity in the pico- and nanosecond regime. Namely, nanostructures with a spatial period of 266 nm (close to the irradiation wavelength (λ)), 130 nm (λ/2) and 60 nm (λ/4) were successfully obtained. The global relationship between the laser parameters (i.e. fluence and number of laser shots) and nanostructure formation was established in the form of a 2D map. Lastly, an interpretation of the mechanism of periodic nanostructures formation on copper thin film induced by picosecond laser was established on the basis of our experimental data, seems relevant to the self-organization theory, particularly, in multi-pulses regime.

This PhD work involves the utilization of the femtosecond laser technique to fabricate the novel S-shaped Josephson Junctions on the high - T_C superconducting YBCO thin films. Initially, it was envisaged as the title states to fabricate nano sized Josephson Junctions using this femtosecond laser technique. However in this PhD work, micron sized (1 – 2 µm) and near nano sized (500 – 800 nm) Josephson Junctions where achieved. / University of South Africa / Electrical and Mining Engineering

Le laser à impulsions ultra-courtes constitue un procédé innovant et très avantageux pour la découpe de céramiques piézoélectriques PZT. Grâce à un fort confinement spatiotemporel de l’énergie au cours de l’interaction, ce système minimise les dégâts collatéraux et préserve l’intégrité physique du matériau sur des échelles micrométriques. Néanmoins, une propagation de faisceau mal maîtrisée, associée à des mécanismes d’interaction complexes fonction de la cible irradiée, peuvent impliquer de fortes disparités sur la qualité d’usinage. Dans le cadre d’une application industrielle donnée, ces travaux nous ont donc permis d’approfondir les principales étapes d’optimisation d’un tel procédé selon des critères de reproductibilité, de qualité et de rapidité. Pour cela, nous avons tout d’abord souligné l’influence des propriétés gaussiennes des faisceaux et de leur perturbation afin de définir la distribution énergétique au niveau des plans de focalisation. Aussi, la quantification de l’interaction via les critères de seuil et de taux d’ablation, d’incubation et de saturation a contribué à comprendre la réaction du matériau de manière macroscopique. Les problèmes méthodologiques inhérents à leurs calculs ont été mis en évidence et ont permis par la suite d’anticiper les formes d’usinage ainsi que les temps de procédé. Dans un second temps, l’optimisation des paramètres laser s’est appuyée sur des caractérisations aussi bien qualitatives pour l’aspect visuel que quantitatives avec l’estimation de la stoechiométrie et des contraintes résiduelles au niveau des flancs d’usinage. Nous avons en outre tiré profit de la piézoélectricité afin de développer une méthode d’observation in situ de la réponse à l’onde de choc laser contribuant à la compréhension des fissurations apparentes. Nous proposons au terme de ce travail un jeu de paramètres optimal pour la découpe de PZT assurant une bonne répétabilité du procédé tout en minimisant les défauts d’usinage comme la fissuration, les dépôts de surface et les irrégularités de bords. Des essais sur la mise en forme spatio-temporelle de faisceau sont enfin abordés principalement en tant que perspective d’accélération du procédé et encouragent son utilisation pour une future industrialisation / Lasers delivering ultrashort pulses are innovative and very attractive tools for cutting piezoelectric PZT ceramics. Thanks to an efficient spatiotemporal confinement of the energy during the interaction, these systems reduce collateral damage and preserve the physical integrity of the material on a micrometric scale. Nevertheless, uncontrolled beam propagation associated with complex interaction mechanisms depending on the irradiated target can involve large disparities on machining quality. In the context of an industrial application, this study describes the main steps of optimization of such a process according to criteria of reproducibility, quality and speed. To this purpose, we first pointed out the influence of Gaussian beam properties and their disturbance to define the energy distribution at focal planes. Thus, the quantification of the interaction with the ablation threshold, the ablation rate, incubation and saturation helped to understand the reaction of the material macroscopically. Methodological issues coming from their calculations have been highlighted while machining shapes and processing times were anticipated. Secondly, the optimization of laser parameters was based on both qualitative and quantitative characterizations. Electronic microscopy was rather used for visual appreciations whereas stoichiometry and residual stress estimations were employed to quantify the quality of side walls. We also took benefit from piezoelectricity to develop an in situ observation method which succeeded in detecting the electrical response to the laser shock wave and mainly contributed to the understanding of visible cracks. We finally propose an optimum set of parameters for cutting PZT ensuring good repeatability of the process while minimizing machining defects such as cracking, surface recast and jagged sides. Tests with spatiotemporal beam shaping were finally presented primarily as perspectives of processing time decrease so as to promote its use for future industrialization