Soutenance mémoire
L’infrarouge moyen présente un grand intérêt pour de nombreuses applications pour la médecine, la biologie, la défense ou encore l’astronomie. Une particularité de cette gamme de longueurs d’onde est la présence de fortes résonances de molécules organiques bien distinctes, permettant d’identifier de nombreux groupes chimiques molécules du vivant ou de polluants de l’atmosphère ou de l’eau. Il y a aussi deux fenêtres de transmission dans l’atmosphère, de 3 à 5 µm et de 8 à 13 µm. Il y a donc un besoin de composants pour le développement de sources et de dispositifs de mesures ou de communications dans l’IR moyen. L’élaboration de ces dispositifs passe par le développement de matériaux transparents dans l’infrarouge moyen puis par la fonctionnalisation optique de ces matériaux.
Dans le cadre de cette thèse de doctorat, effectuée entre le COPL à l’Université Laval et le CELIA à l’Université de bordeaux, nous nous intéressons à la fonctionnalisation de matériaux innovants par impulsions ultra-brèves. Cette technique permet de modifier localement les propriétés d’un solide transparent par la focalisation d’impulsions courtes (typiquement 100 fs). Les très fortes intensités lumineuses atteintes dans le volume focal génèrent des processus d’absorption non linéaires permettant de modifier les propriétés dans le volume du matériau avec une grande précision spatiale (~λlaser). On peut dans certains cas avoir un changement d’indice de réfraction, positif ou négatif, permettant de produire des guides d’onde par le déplacement de l’échantillon par rapport au point focal du faisceau. Depuis les premiers travaux du groupe de K. Hirao en 1996, démontrant un changement d’indice de réfraction permanent dans plusieurs types de verres, beaucoup de progrès ont été faits dans ce domaine. D’autres types de modifications induites sont possibles selon les types de substrat et les paramètre irradiation utilisés. On peut notamment produire des structures biréfringentes, induire de la cristallisation dans un verre, ou générer des structures fluorescentes. Cette méthode de fabrication s’est montrée très efficace pour la fabrication de composants photoniques tridimensionnels, notamment dans les verres.
Transparence des matériaux
Le premier maillon d’un dispositif photonique pour l’infrarouge moyen est le matériau. Il doit être transparent dans la gamme de longueurs d’onde visée. Par exemple, un verre de borosilicates comme le N-BK-7, probablement le plus courant en optique, a une fenêtre de transmission qui s’étend approximativement de 350 nm à 2,5 µm.
Absorption intrinsèque
Coupures UV et IR
L’absorption à basse longueur d’onde, appelée coupure ultra violette (UV) pour les matériaux transparents dans le visible, est causée par l’interaction des ondes électromagnétiques avec les électrons du solide. Pour beaucoup de matériaux usuels en optique (verres de silice ou silicates, saphir, KTP etc.), cette limite se situe dans l’UV. Un diélectrique (ou un isolant) est un solide dont la dernière bande électronique occupée est pleine. Cette dernière bande occupée est appelée la bande de valence, dans laquelle les électrons ont des orbitales liées à leurs atomes ou ions et ne peuvent pas se déplacer. La bande d’énergie permise suivante est appelée bande de conduction. Elle est séparée de la bande de valence par la bande interdite, dans laquelle aucune énergie n’est permise pour les électrons. Un photon d’énergie égale ou supérieure à l’énergie de bande interdite peut être absorbé par un électron, par un processus linéaire, le faisant passer de la bande de valence à la bande de conduction. La coupure UV sera d’autant plus haute en fréquence que les électrons sont fortement liés. Dans la silice amorphe pure, la coupure UV est située à environ 220 nm. Des défauts de structure (centres colorés dans la silice par exemple) peuvent affaiblir des liaisons du réseau et provoquer de l’absorption à plus haute longueur d’onde que pour une structure «parfaite ». Dans les milieux désordonnés comme les verres, les fronts d’absorption y sont moins abrupts que dans les cristaux.
Ce qui nous intéresse le plus dans le cadre de cette thèse, c’est la limite à haute longueur d’onde, la coupure infrarouge. Elle est liée aux vibrations des ions ou atomes du réseau et dépend donc de la masse des atomes et forces de rappel exercées sur eux. Si le déplacement des masses induit un dipôle électrique, alors on peut avoir une interaction entre une onde électromagnétique et certains modes de vibration peuvent ainsi se manifester éventuellement par une absorption de l’énergie électromagnétique. Une vibration peut être de nature locale, avec par exemple la déformation d’une liaison chimique d’une molécule, ou bien de nature globale, avec des déplacements de plans d’atomes ou d’ions du réseau. Dans le cas d’une vibration globale, on parle de phonons, qui sont des quanta de vibration dont la statistique quantique est de type bosonique.
Vibrations moléculaire
Des vibrations structurales locales peuvent interagir avec des ondes électromagnétiques, comme les modes d’élongation des liaisons Si – O dans la silice qui absorbent fortement pour des longueurs d’onde d’environ 9 et 13 µm [1].
On voit que la fréquence propre est une fonction croissante de la force de la liaison et une fonction décroissante de la masse réduite. La masse réduite d’une molécule diatomique augmente quand la masse d’un des deux atomes (ou des deux) augmente. Quand un des atomes a une masse bien supérieure à l’autre, modifier la masse de l’élément le plus léger de la molécule a plus d’impact sur la variation de la masse réduite. Par exemple, quand on remplace dans l’eau les atomes d’hydrogène (A=1) par des atomes de deutérium (A=2), la fréquence du mode fondamental de vibration symétrique est multipliée par 0,73 [2] : la résonnance passe de 3280 cm-1 (λ=3050 nm) à 2339 cm-1 (λ=4186 nm).
Un mode vibrationnel dans une molécule peut interagir avec une onde électromagnétique s’il implique la modification d’un dipôle électrique. Dans la molécule d’eau, le mode de vibration d’élongation symétrique, est actif dans l’infrarouge, car la liaison OH est polarisée à cause de la forte électronégativité de l’oxygène par rapport à l’hydrogène. Dans le cas d’une molécule de diazote N2, la liaison est totalement covalente et le mode d’élongation de la molécule n’est pas actif dans l’IR. Un mode de vibration normalement inactif dans l’IR en configuration isolé peut devenir actif sous l’effet d’un champ local non symétrique. Ce genre de configuration peut se produire dans un solide, où aucune molécule n’est isolée des autres.
Vibrations du réseau
L’absorption dans un solide peut aussi être causée par des vibrations d’ensemble d’atomes qui constituent un réseau. On parle alors de phonons qui sont les quanta de vibration du réseau. Pour illustrer la nature de ces phonons et comprendre leur évolution en fonction des caractéristiques des matériaux, on peut voir le cas simple d’un réseau cristallin. Commençons par considérer un réseau cubique à un atome par maille élémentaire. Le déplacement d’un plan d’atome dans une direction peut être décrit par une seule coordonnée, ce qui permet de réduire le problème à une seule dimension. On suppose que le plan d’atomes est soumis à deux forces, proportionnellement au déplacement du plan par rapport aux deux plans voisins les plus proches.
Absorption extrinsèque
Une autre limitation importante de la transparence des matériaux est la présence d’impuretés. De petites concentrations de métaux (fer, germanium, aluminium, etc.) peuvent former des complexes de transfert de charge ayant des bandes d’absorption très intenses dans l’UV ou le visible. Des gaz peuvent contaminer un échantillon, notamment le CO2 présent sous forme dissoute dans des verres aluminosilicates et des verres de fluorures de métaux lourds, générant une bande d’absorption à 4,26 µm [10]. Mais le contaminant le plus important pour la région 2,5 – 5 µm est l’eau, surtout dans les verres d’oxydes où elle peut être présente sous forme dissoute (moléculaire) ou formant des groupes hydroxyles (Si-OH, Ge OH, etc.). Dans la silice vitreuse par exemple, la bande d’absorption la plus importante est causée par les groupes hydroxyles, et elle se situe autour de 2,7 µm. La fréquence des résonnances et leur nombre peuvent changer légèrement en fonction de la composition et des défauts éventuels [11]. Cette absorption est due au mode d’étirement du groupe OH qui peut varier en fonction de l’ion auquel l’oxygène est lié et si les autres structures proches perturbent la vibration de la molécule. D’autres pics, moins intenses, sont aussi liés à ce mode, ils sont causés par les harmoniques et les combinaisons du mode fondamental de vibration du groupe OH avec un mode de vibration du tétraèdre SiO4 et se situent à des longueurs d’onde plus basses [12]. Ces pics secondaires ont de l’importance pour les télécommunications, avec des fibres de plusieurs kilomètres de long. Pour des dispositifs de petite taille (quelques cm) seule, la bande fondamentale provoque une absorption significative.
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction, état de l’art
1.1. TRANSPARENCE DES MATÉRIAUX
1.1.1. Absorption intrinsèque
1.1.2. Absorption extrinsèque
1.1.3. Exemples de verres pour l’infrarouge moyen
1.2. VERRES : THEORIE ET FABRICATION
1.2.1. Définition
1.2.2. Fabrication des verres
1.2.3. Purification des verres BGG
1.3. INSCRIPTION PAR IMPULSIONS ULTRA BRÈVES
1.3.1. Absorption non linéaire d’une impulsion courte
1.3.2. Régime thermique
1.3.3. Modifications induites
1.3.4. Paramètres d’irradiation
1.3.5. Mise en forme du faisceau
Chapitre 2 : Étude des modifications induites dans les verres BGG
2.1. MONTAGES ET PROTOCOLES EXPÉRIMENTAUX
2.1.1. Montages pour l’inscription par laser femtoseconde
2.1.2. Mesure des variations d’indice de réfraction
2.1.3. Montage de caractérisation des guides d’onde
2.2. INSCRIPTIONS DANS LES VERRES BGG PAR DES IMPULSIONS SUB-100 FS
2.2.1. Inscriptions dans différentes compositions de verres BGG
2.2.2. Inscriptions dans le verre BGG à faible teneur en OH
2.3. INSCRIPTIONS DANS LES VERRES BGG PAR DES IMPULSIONS DE 380 FS
2.3.1. Inscriptions dans l’échantillon BGG65
2.3.2. Inscriptions dans l’échantillon FBGG65
2.4. GUIDE D’ONDE À FAIBLES PERTES DANS UN VERRE BGG
2.5. SPECTROSCOPIE RAMAN DES STRUCTURES PHOTO-INSCRITES
2.6. DISCUSSION ET CONCLUSION
Chapitre 3 : Coupleurs pour l’infrarouge moyen dans un verre BGG et dans la silice
3.1. THÉORIE ET CONCEPTION DES COUPLEURS DIRECTIONNELS
3.1.1. Théorie des modes couplés
3.1.2. Conception des coupleurs
3.2. COUPLEURS DIRECTIONNELS DANS UN VERRE BGG
3.2.1. Inscription des guides d’onde
3.2.2. Guides courbés et coupleurs, caractérisation à 2850 nm
3.3. COUPLEURS DIRECTIONNELS DANS UN VERRE DE SILICE
3.3.1. Inscription de guides d’onde pour l’infrarouge moyen
3.3.2. Coupleur directionnel, caractérisation à 2850 nm
3.4. CARACTÉRISATION DES COUPLEURS AVEC UN CONTINUUM
3.4.1. Montage et protocole expérimental
3.4.2. Coupleurs dans le verre BGG
3.4.3. Coupleurs dans le verre de silice
3.4.4. Modèle analytique des coupleurs
3.5. MODÈLE NUMÉRIQUE DES COUPLEURS
3.5.1. Présentation de la méthode
3.5.2. Variation de la longueur d’onde
3.5.3. Comparaison entre un couplage faible et un couplage fort
3.6. DISCUSSION ET CONCLUSION
Chapitre 4 : Inscription dans les verres GGBK-Ag
4.1. PRÉSENTATION DU VERRE GGBK-AG
4.1.1. Composition étudiée
4.1.2. Spectroscopie de l’argent
4.1.3. Spectroscopie du verre GGBK-Ag
4.2. VARIATION D’INDICE ET FLUORESCENCE PHOTO-INDUITES
4.2.1. Inscriptions de guides d’onde à 250 kHz
4.2.2. Inscriptions de structures fluorescentes à 9,8 MHz
4.2.3. Test de transmission d’un guide d’onde
4.3. MESURES DE MICRO-FLUORESCENCE
4.4. MESURES DE MICRO-ABSORPTION
4.4.1. Spectres de micro-absorption
4.4.2. Théorie et interprétation des résultats
4.5. GÉNÉRATION DE SECONDE HARMONIQUE
4.5.1. Origine du phénomène : EFISHG
4.5.2. Montage expérimental
4.5.3. Mesure de génération de seconde harmonique
4.6. DISCUSSION ET CONCLUSION
Conclusion générale
Bibliographie
