This dissertation describes methodology that significantly improves the state of femtosecond laser writing of metals. The developments address two major shortcomings: poor material quality, and limited 3D patterning capabilities. In two dimensions, we grow monocrystalline silver prisms through femtosecond laser irradiation. We thus demonstrate the ability to create high quality material (with limited number of domains), unlike published reports of 2D structures composed of nanoparticle aggregates. This development has broader implications beyond metal writing, as it demonstrates a one-step fabrication process to localize bottom-up growth of high quality monocrystalline material on a substrate. In three dimensions, we direct laser write fully disconnected 3D silver structures in a polymer matrix. Since the silver structures are embedded in a stable matrix, they are not required to be self-supported, enabling the one-step fabrication of 3D patterns of 3D metal structures that need-not be connected. We demonstrate sub-100-nm silver structures. This latter development addresses a broader limitation in fabrication technologies, where 3D patterning of metal structures is difficult. We demonstrate several 3D silver patterns that cannot be obtained through any other fabrication technique known to us. We expect these advances to contribute to the development of new devices in optics, plasmonics, and metamaterials. With further improvements in the fabrication methods, the list of potential applications broadens to include electronics (e.g. 3D microelectronic circuits), chemistry (e.g. catalysis), and biology (e.g. plasmonic biosensing). / Engineering and Applied Sciences

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 119-123. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 127-129. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Cette thèse porte sur l'utilisation et la caractérisation de l' ablation laser et du plasma induit par laser dans un contexte d'analyse chimique. Différents efforts d' optimisation des techniques d' ablation laser couplée à la spectrométrie d' ionisation assistée par laser (LALEI) et de spectrométrie de plasma induit par laser (LIBS) ont mené à l'obtention d' excellents résultats analytiques pour des échantillons poudreux. Divers aspects importants en analyse, comme la possibilité d' utiliser des étalons solides à concentration ajustable, l'importance de l'homogénéité dans la distribution des analytes, l'importance de disposer d' étalons dont la matrice est similaire à celle des échantillons ou d'être en mesure de corriger les signaux obtenus avec des matrices différentes et l'influence de l'environnement gazeux sur la dynamique d'expansion du plasma et sur la rapidité de perçage d'une cible, ont été étudiés. Grâce entre autre à la technique de shadowgraphy (qui a aussi servi à évaluer l' influence de l'environnement gazeux), l'éjection de particules a été observée lors des premières microsecondes suivant l'ablation de cibles poudreuses préparées· sous formes de pastilles et a permis de comparer trois types d'étalons solides préparés dans le laboratoire à partir de sol-gels.

L’ablation laser est une technique éprouvée pour la fabrication de nanoparticules qui possèdent la composition et les propriétés du matériel original. La plupart des expériences sont réalisées en focalisant des impulsions laser UV à la surface d’une cible monoatomique, soit un métal ou un semi-conducteur. La technique présentée se concentre plutôt sur l’utilisation d’un laser femtoseconde pour faire l’ablation de saphir dopé au titane, Ti3+: Al2O3 ou Ti: saphir. Le Ti: saphir est employé comme milieu de gain dans plusieurs oscillateurs ou amplificateurs laser et possède comme avantage la production d’impulsion ultrabrèves dans l’infrarouge proche. Dans le cadre de ce mémoire, la production de nanoparticules de Ti: saphir par ablation laser est réalisée à l’aide de deux méthodes différentes, la première étant l’ablation dans une enceinte à pression fixe et la deuxième par ablation et transport à l’aide d’un gaz dans une zone à haute température puis par récupération des particules par impact. Des observations au MEB et au MET permettent d’affirmer que les particules et agrégats de particules produits ont une taille qui varie entre 5 et 200 nm, avec quelques particules de plus grande taille. Les particules produites à pression fixe semblent amorphes et possèdent un spectre de fluorescence décalé vers le bleu, tandis que les particules transportées dans la zone à haute température semblent mieux cristallisées et possèdent un spectre qui se rapproche davantage de celui du matériel original. Des expériences de production de nanoparticules de rubis (Cr3+: Al2O3) ont également été réalisées à l’aide de la méthode de combustion de nitrates. Cette méthode a permis de produire facilement de grandes quantités de particules significativement agglomérées avec une fluorescence très forte. / Pulsed laser ablation is a well-known technique for the production of nanoparticles that possess the same composition and properties as of the original material. Most of the experiments are done by focusing UV laser pulses on the surface of a monoatomic metallic or semiconductor targets. The technique presented in this work focuses on the use of femtosecond laser pulses to initiate the ablation of titanium doped sapphire, Ti3+: Al2O3 or Ti:sapphire. Ti:sapphire is a well-known laser gain medium, commonly used in femtosecond oscillators or amplificators. In the course of this thesis, pulsed laser ablation of Ti: sapphire and nanoparticle production were made possible by the use of two different methods. The first experiments took place in a vacuum chamber under constant pressure. The second setup used a flow of low pressure helium gas to transport the particles in a high temperature environment before they were collected. SEM and TEM observations lead to the conclusion that the produced particles and particle agglomerates were between 5 and 200 nm in diameter, with a few larger particles. Particles produced in a fixed pressure seem amorphous and their fluorescence spectra are generally blue-shifted. Particles that were passed in the high temperature volume seem to have undergone better crystallization and their spectra are closer to the spectrum of bulk Ti: sapphire. Cr3+: Al2O3 (ruby) nanoparticles were also produced with the low temperature nitrate combustion synthesis method. These experiments produced large quantities of highly agglomerated nanoparticles with very strong fluorescent properties. The fluorescent properties are similar of those of bulk ruby.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / La formation des réseaux de surface, ou laser-induced periodic surface structures (LIPSSs), à l’aide d’une source laser pulsée est étudiée avec la théorie de Sipe-Drude, d’abord analytiquement, puis avec la méthode numérique finite-difference time-domain (FDTD). Les LIPSSs sont des structures nanométriques sinusoïdales pouvant être catégorisées selon leur orientation par rapport à la direction de polarisation du laser incident et en fonction de leur période Λ par rapport à la longueur d’onde du laser λ. Avec la méthode FDTD, nous trouvons, dans une région de l’espace paramétrique jamais explorée, qu’une impulsion laser polarisée linéairement peut interagir avec une surface rugueuse de façon à faire croître des structures bidimensionnelles ayant une période de Λ ∼ λ dans les orientations parallèle et orthogonale à la direction de polarisation. Par contre, ce modèle ne peut expliquer la forte organisation et régularité des structures dans le domaine spatial, tel qu’observé dans les expériences. Permettre l’auto-organisation des structures avec un mécanisme de rétroaction inter-impulsion est une solution possible afin de simuler la croissance de LIPSSs fortement organisés d’une impulsion laser à la suivante. Récemment proposée, cette méthode utilise un processus d’ablation non physique afin de tenir compte qualitativement de l’éjection de matériau entre deux impulsions laser. Ce nouveau modèle peut reproduire une grande variété de LIPSSs avec une forte régularité spatiale, mais échoue toujours à simuler la croissance de l’amplitude de certains types de structures. Nous suggérons que ces structures restantes peuvent croître en considérant un mécanisme inverse, l’expansion. En combinant ablation et expansion, nous avons simulé avec succès un plus grand nombre de types de LIPSSs. / The formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) using pulsed laser source is studied on the basis of the Sipe-Drude theory solved, first analytically, then with a finitedifference time-domain (FDTD) scheme. LIPSSs consist of wavy nanometric structures and can be categorized depending on their orientation with respect to the incident laser polarization and their periodicity Λ with respect to the incident laser wavelength λ. With our FDTD solver, we find, in as yet unexplored regions of parameter space, that a linearly polarized laser pulse can interact with a rough surface such that bidimensional structures could grow with both parallel and perpendicular periodicity of Λ ∼ λ. However, this theory cannot predict the strong organization and regularity in the space domain, as observed in the experiments. Allowing self-organization in the model with an interpulse feedback mechanism is a possible solution to simulate the growth of strongly organized LIPSSs from one laser pulse to the next. This recently proposed method uses a non-physical ablation process to qualitatively account for material removal between two laser pulses. This new model can reproduce a large variety of LIPSSs with a strong spatial regularity, but still fails to simulate amplitude growth of some of the structures. We suggest that those remaining structures can grow by considering an inverse mechanism, an expansion process. By combining ablation and expansion mechanisms, we have successfully simulated the growth of a large class of LIPSSs.

Lorsqu’un faisceau laser femtoseconde est fortement focalisé sur des matériaux transparents, une ionisation en cascade peut se produire suite à l’intense ionisation du champ induit par celui-ci. Une fraction de l’énergie laser est absorbée et transférée dans le support produisant un échauffement local. La température à l’intérieur de la zone d’irradiation s’élèvera au point de fusion ou d’ébullition, selon la fluence de l’impulsion incidente et les propriétés du matériau. En conséquence, une légère modification du matériau, la formation de nano-réseaux ou des dommages complexes peuvent se produire. L’explosion de Coulomb peut participer au processus d’enlèvement de matière lorsque le faisceau laser est fortement focalisé sur la surface. Dans cette thèse, nous allons nous concentrer sur la formation de nano-réseaux sur la surface de la silice fondue. Nous mesurons la fluence de l’impulsion nécessaire pour induire des nano-réseaux de surface pour différents espacements entre des impulsions consécutives, pour découvrir et quantifier l’effet d’incubation dans le processus de formation de nano-réseaux. Nous proposons également une équation d’incubation modifiée (seuil d’ablation en fonction de l’espacement entre les impulsions). À l’aide d’un SEM, nous examinons le changement structurel de la morphologie sur la surface induite par la combinaison de différents paramètres d’écriture tels que : l’énergie par impulsion/fluence, l’espacement entre les impulsions et la profondeur de la lumière focalisée sous la surface. Nous montrons ainsi l’évolution des nano-fentes dans le cas statique et pour une petite gamme de fluence d’impulsion et démontrons que des nano-réseaux uniformes peuvent être obtenus lorsque la fluence de l’impulsion est légèrement au-dessus du seuil d’ablation et que la largeur et l’espacement des nano-réseaux dépendent de l’espacement entre les impulsions et de leur fluence. Nous proposons également un nouveau modèle qui inclut les effets de répartition de l’intensité locale et d’incubation. L’évolution progressive de maxima locaux et la formation de nouvelle paires de nanogrooves (cas statique) ou de son autoréplication (cas de numérisation) sur des emplacements spécifiques est en fait la physique derrière le processus de formation qui est fidèlement reproduit dans l’expérience. Jusqu’à maintenant, aucun modèle n’a réussi à bien représenter les phénomènes observés. Finalement, nous présentons les applications potentielles de l’écriture directe d’un certain nombre contrôlable de nanocanaux et nano-réseaux à grande surface. / When a femtosecond laser beam is tightly focused onto transparent materials, strong field ionization followed by avalanche ionization may occur, and a fraction of laser energy is absorbed and transferred into the lattice resulting in local heating. The temperature within the irradiation zone will rise up to the melting or boiling point depending on the incident pulse fluence and material properties. As a result, either smooth modification, or well-shaped nanogratings or complex damage may occur. Coulomb explosion may also participate in the material removal process. In this thesis, we focus on the nanograting inscription on the surface of fused silica. We measure the pulse fluence which is required to induce surface nanogratings for different pulse-to-pulse spacing, uncover and quantify the incubation effect in the nanograting inscription process, and propose a modified incubation equation (ablation threshold as a function of pulse-topulse spacing). Using a scanning electron microscope, we examine the structural change on the surface induced by the combination of different writing parameters such as the pulse energy/fluence, pulse-to-pulse spacing and the depth of the focused light below the surface. We show the shot-to-shot evolution of nanogrooves in the static case for a small range of pulse fluence, and demonstrate that well-shaped nanogratings can be obtained with pulse fluence slightly above the reduced ablation threshold, and that the width and spacing of the nanogratings depend on the pulse-to-pulse spacing and pulse fluence. In particular, we propose a new model which consists of local intensity distribution and incubation effect. The progressive evolution of new local maxima and in turn the formation of new nanogrooves in pairs (static case) or in a self-replicating way (scanning case) at specific locations is in fact the physical focus behind the nanograting inscription, as is faithfully reproduced by the experiment. No previously reported model has ever been successful in that respect. Finally, we discuss and demonstrate the potential applications in direct writing of a controllable number of nanochannels and large-area nanogratings.

Stenting remains a common treatment option for atherosclerotic arteries. The main drawback of early stent platforms was restenosis, which has been combated by drug eluting stents; however, these stents have suffered from a higher incidence of late stage thrombosis. To address current stenting limitations, the major research focuses have been the development of the next generation of drug eluting stents and first generation bioabsorbable stents. The main objective of this dissertation was the design and development of a new class of bioabsorbable stent composed of elastin mimetic protein polymers. The first phase explored different stent design schemes and fabrication strategies. Successfully fabricated stents were then mechanically tested to ensure they possessed sufficient mechanical strength. Additionally, described herein is the potential to modulate the properties of the elastin mimetics through different crosslinking strategies. We have demonstrated that chemical crosslinking allows for the tailoring of the physical, mechanical, drug delivery, and endothelialization properties of these materials. The potential for drug delivery from this elastin mimetic stent was benchmarked as was the potential to endothelialize these stents. Furthermore, we developed the necessary delivery systems to allow for deployment in the rat aorta model.

The main objective of the present research work is to fabricate three dimensional photonic nanostructures in photo-sensitive polymers using a novel diffractive optical element (DOE) based lithography technique. A diffractive optical element is a promising alternative device for 3D fabrication where one DOE creates multiple laser beams in various diffraction orders that are inherently phase-locked and stable for reproducible creation of 3D near-field diffraction patterns from a single laser beam. These near-field patterns are captured inside a photosensitive material like photoresist to fabricate 3D photonic crystal templates. We have demonstrated fabrication of a wide range of 3D structures having different crystal symmetries and different relative crystal axis ratios. The present work has provided 3D photonic crystal nanostructures with uniform optical and structural properties over large sample area (~3-4 mm diameter) and through large 15-50 micron thickness with large number of layers (> 40) having period 550 nm - 650 nm and feature sizes between 200 nm and 300 nm. The short exposure time and small number of process steps shows promise for scaling to very large volume fabrication, dramatically improving the throughput, quality and structural uniformity of 3D periodic nanostructures, especially over that provided by tedious and costly semiconductor processing technology. The diffractive optics lithography is a parallel processing method that is easily scalable to generate centimeter-scale 3D nanostructures having large number of layers in several seconds. Due to low refractive index contrasts these polymer templates possess partial stopgaps along several crystallographic directions which can be practically used in several device or sensor applications where complete bandgap is not necessary. The potential usefulness of these partial stopbands for refractive index sensing of liquids has been demonstrated. These low refractive index polymer structures have been inverted with amorphous silica to convert a "soft" polymer structure to a robust "hard" structure. Further, few preliminary tests were done in fabricating 3D nanostructures into micro-fluidic channels for potential chromatography applications. The practical merits of this 3D fabrication technique will enable new practical manufacturing methods for optical and MEMS applications of 3D micro and nano structures.

The main objective of the present research work is to fabricate three dimensional photonic nanostructures in photo-sensitive polymers using a novel diffractive optical element (DOE) based lithography technique. A diffractive optical element is a promising alternative device for 3D fabrication where one DOE creates multiple laser beams in various diffraction orders that are inherently phase-locked and stable for reproducible creation of 3D near-field diffraction patterns from a single laser beam. These near-field patterns are captured inside a photosensitive material like photoresist to fabricate 3D photonic crystal templates. We have demonstrated fabrication of a wide range of 3D structures having different crystal symmetries and different relative crystal axis ratios. The present work has provided 3D photonic crystal nanostructures with uniform optical and structural properties over large sample area (~3-4 mm diameter) and through large 15-50 micron thickness with large number of layers (> 40) having period 550 nm - 650 nm and feature sizes between 200 nm and 300 nm. The short exposure time and small number of process steps shows promise for scaling to very large volume fabrication, dramatically improving the throughput, quality and structural uniformity of 3D periodic nanostructures, especially over that provided by tedious and costly semiconductor processing technology. The diffractive optics lithography is a parallel processing method that is easily scalable to generate centimeter-scale 3D nanostructures having large number of layers in several seconds. Due to low refractive index contrasts these polymer templates possess partial stopgaps along several crystallographic directions which can be practically used in several device or sensor applications where complete bandgap is not necessary. The potential usefulness of these partial stopbands for refractive index sensing of liquids has been demonstrated. These low refractive index polymer structures have been inverted with amorphous silica to convert a "soft" polymer structure to a robust "hard" structure. Further, few preliminary tests were done in fabricating 3D nanostructures into micro-fluidic channels for potential chromatography applications. The practical merits of this 3D fabrication technique will enable new practical manufacturing methods for optical and MEMS applications of 3D micro and nano structures.