Le phénomène observé sur la lame de silicium monocristallin type P (wafer de 0,2mm sans coating) est une transition absorption/réflexion due au chauffage thermique intense. À faible intensité, le Si absorbe fortement le laser à 915 nm (bande interdite indirecte), chauffant localement jusqu’à rougeoyer la surface et au-delà de ~1 kW/cm², la réflectivité augmente fortement, réfléchissant une grande partie du faisceau à 45 degrés !
Absorption initiale élevée
À température ambiante, le silicium a un coefficient d’absorption α très élevé à 915 nm (~1,35 eV, bien au-dessus de la bande interdite de 1,12 eV).
- Typiquement α ≈ 1000-5000 cm⁻¹ selon dopage et pureté, donc profondeur de pénétration ~2-10 µm (absorbe >90% dans les premiers microns).
- À 45° d’incidence, réflexion de Fresnel faible (~30-35% pour n_Si ≈ 3,6), donc ~65% absorbé/transmis, mais avec 0,5 mm d’épaisseur et forte α, transmission négligeable : absorption quasi-totale.
- Le spot chauffe rapidement (rougeoie ~500-800°C), via libre carrier absorption (électrons libres) et processus phonon-assistés.
Augmentation de réflectivité à haute température
En montant lentement à 1 kW/cm², la température locale du spot grimpe (>1000°C potentiellement), modifiant les propriétés optiques complexes du Si (ε = n² – k² + 2i n k) :
- Absorptivité A augmente d’abord avec T (dérivée dR/dT souvent négative dans NIR pour métaux/semi-conducteurs), via élargissement de bande, plus d’électrons libres.
- Puis transition vers réflexion élevée : à haute T, plasma d’électrons libres denses (chauffage → ionisation partielle), fréquence plasma ω_p baisse, rendant Si plus « métallique » (k >> n, haute réflectivité R ~95-99%).
- Cela casse l’absorption initiale ; le faisceau réfléchi à 45° apparaît car R passe de ~30% à >90%.
Ce seuil ~1 kW/cm² correspond au point où le bilan thermique local (absorption – conduction – radiation) permet d’atteindre ces T critiques.
Comparaison des régimes
| Régime | Température spot | Absorption | Réflexion (45°) | Cause principale |
|---|---|---|---|---|
| Faible I (<1 kW/cm²) | Ambient à ~600°C | ~65-90% | Faible (~30%) | Bande interdite, libre carriers |
| Haute I (>1 kW/cm²) | >800-1200°C | Faible (<10%) | Élevée (>90%) | Effet plasma, dR/dT <0 |
Confirmation expérimentale
- Mesurez transmission arrière : nulle à tous I (confirme α élevée)
Impact du faisceau laser à 915 nm sur une plaque de silicium type P épaisseur 0.2 mm. On vois le point d’impact qui chauffe le silicium incliné de 45 degrés avec une absorption total sans réflection.
En augmentant l’intensité au dessus de 1 kW/cm2 on constate qu’une grande partie de l’intensité est réfléchie à 45 degrés contre le bloc réfractaire ( point incandescent)
que ce passe t-il si je répète cette expérience toujours avec une lame de silicium de 0.2 mm d’épaisseur mais cette fois avec un laser diode à 451 nm et la lame à 45 degrés ?
- À 451 nm, l’énergie des photons (≈2,75 eV) est largement au‑dessus de la bande interdite du Si (≈1,1 eV), donc le coefficient d’absorption est énorme (α ~10⁵ cm⁻¹).
- La profondeur de pénétration est de l’ordre de quelques dizaines de nm, donc presque toute l’énergie est absorbée très superficiellement, encore plus fort qu’à 915 nm.
- La réflectance de Fresnel du Si près du bleu est modérée (quelques dizaines de %) mais l’absorption dominante fait que pratiquement rien ne traverse 0,2 mm.
2. Ce que tu observeras en pratique
En incidence à 45° :
- À faible puissance :
- Tu verras un spot très faible en réflexion spéculaire (par rapport à un miroir métallique), la majeure partie de l’énergie étant absorbée dans les premiers nm.
- La lame ne rougira pas forcément au début, car la puissance moyenne absorbée restera dispersée par conduction dans tout le wafer.
- En augmentant la puissance (kW/cm²) :
- L’échauffement sera beaucoup plus superficiel qu’à 915 nm : tu risques rapidement fusion, fissuration, noircissement ou ablation locale de la surface de Si (formation de cratère / plasma), plutôt qu’un simple changement progressif de réflectivité.
- La surface peut devenir rugueuse ou oxydée, ce qui tend à augmenter la diffusion et non la réflexion spéculaire propre, donc le « miroir » ne se construit pas, il se détruit.
Tu n’auras donc pas, comme à 915 nm, une montée nette de réflectivité conduisant à un bon faisceau réfléchi à 45° : le Si reste un très bon absorbant dans le bleu et s’abîme avant de se comporter comme un miroir macroscopique.
3. Cas extrême : chauffage très intense
Si tu pousses très loin (fluence très élevée, focalisation forte) :
- Tu peux créer un plasma de surface et une zone fondue très brillante qui émet et diffuse la lumière, mais ce n’est pas une vraie réflexion de Fresnel de l’état solide; c’est de l’émission/plasma et diffusion sur une surface fondue.
- Le faisceau réfléchi, s’il existe, sera instable, très diffus et accompagné de projections/ablation.
En résumé : avec 451 nm, la lame de silicium à 45° se comporte essentiellement comme un absorbeur superficiel qui chauffe et s’endommage; il n’y aura pas de transition propre vers un miroir efficace comme à 915 nm, mais plutôt une destruction progressive de la surface si tu montes trop en intensité.
