Dynamique non-linéaire dans les microcavités laser tridimensionnelles à base de polymères : aspects physiques et technologiques

par Clément Lafargue

Thèse de doctorat en Sciences physiques

Sous la direction de Joseph Zyss.

Le jury était composé de Eugène Bogomolny, Mélanie Lebental, Stefan Rotter, Joseph W. Perry.

Les rapporteurs étaient Frédérique de Fornel, Izo Abram.


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l’étude fondamentale et au développement de micro-sources lasers en matériaux organiques, susceptibles de débouchés dans les technologies de l’information et les biotechnologies. Nous avons exploré l'aspect tridimensionnel (3D) de ces lasers, tant en termes de fabrication que de caractérisation. Concernant la fabrication, nous avons fait évoluer la géométrie des microlasers, auparavant quasi-bidimensionnelle (2D, issue de films fins) vers une géométrie 3D (comme des cubes). Des procédés de lithographie UV épaisse ou d’écriture directe au laser par photo-polymérisation à 2 photons ont été adaptés pour réaliser des formes sur mesure de micro-résonateurs optiques incluant un colorant. Afin d'étudier l'émission très anisotrope de ces lasers, nous avons conçu et développé un outil original, appelé scanner à angle solide (SAS), permettant de collecter l'émission d’un microlaser dans toutes les directions du demi-espace qui le surplombe, avec une grande précision. Le SAS a permis de constater que les microlasers 2D émettent principalement hors-plan. Un modèle a été développé pour expliquer cet effet et émettre des prédictions. D’autre part, différentes formes de microlasers 2D ont été analysées, à partir de leurs directions et spectres d’émission, grâce au formalisme semi-classique des orbites périodiques. En particulier, une orbite diffractive a été observée dans les triangles, ce qui ouvre la voie à une étude systématique de la diffraction par un coin diélectrique. Nous apportons également une explication à la directionalité de l’émission par des microlasers carrés. Pour finir, les premières caractérisations 3D de micro-lasers 3D ont été réalisées.

  • Titre traduit

    Non-linear dynamics of micro-lasers in organic material : technology and physics


  • Résumé

    We investigate in this thesis fundamental and applied properties of solid-state laser micro-sources made of organic materials, with possible applications to information and biosensing technologies. We explored three-dimensional features pertaining both to fabrication and characterization of such lasers. Regarding the fabrication, we extended the geometry of organic microlasers, previously restricted to quasi-two-dimensional (2D) as from thin film patterning, onto full 3D structures such as cubes. Deep UV lithography and direct laser writing with two-photon-polymerization processes have been adapted in order to fabricate customized shapes, which incorporate a laser dye. To study the highly anisotropic emission from these lasers, we conceived a new set-up, called solid angle scanner (SAS), allowing for high angular accuracy detection of the emission from a micro-laser in all directions in space. When applied to 2D micro-lasers, SAS measurements allowed us to observe that they emit mainly out of their plane. We developed a model to account for this effect and infer predictions. Moreover, various shapes of 2D micro-lasers have been investigated, through the angular and spectral features of their emission, with experiments satisfactorily connected to a semi-classical theoretical approach of periodic orbits. We paid special attention to triangular shapes, for which a diffractive orbit was observed, opening the way to the study of diffraction by a dielectric corner. We also propose an explanation for the directionality of the emission by square micro-lasers. Finally, 3D characterizations of solid state 3D organic micro-lasers are presented for the first time to our knowledge.


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