Cristaux liquides nématiques épais pour l'optique ultra-rapide

Thick nematic liquid crystals for ultrafast optics

• Auteur / Autrice : Vittorio Maria Di Pietro
• Direction : Aurélie Jullien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Olivier Utéza
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Jullien, Olivier Utéza, Marc Hanna, Antoine Monmayrant, Thomas Heiser, Giovanna Tissoni, Nicolas Forget
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Hanna, Antoine Monmayrant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux liquides nématiques

Optique physique

Mots clés libres

Optique ultra-rapide

Cristaux liquides

Modulateur spatial de lumière

Façonnage spectrale

Ultrafast optics

Liquid crystal

Spatial light modulators

Pulse shaping

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse émane du projet SOFTLITE, une collaboration entre la société FASTLITE (sas) et le groupe Optique des Cristaux Liquides (OCL) de l’Institut de Physique de Nice (INPHYNI). L’objectif principal de cette collaboration est de développer de nouveaux dispositifs à base de cristaux liquides, reposant sur des cellules nématiques biréfringentes en couche épaisses, pour compléter/remplacer les dispositifs actuels de manipulation, façonnage et mesure d’impulsions laser ultra-rapides. Dans le cadre de cette thèse, très expérimentale, nous présentons ainsi une caractérisation avancée des propriétés électro-optiques de cellules nématiques épaisses (de 25μm à 250μm). Nous démontrons également la possibilité de contrôler ces cellules de manière thermo-optique, ce qui débouche sur un nouveau modulateur spatial de lumière (LC-SLM). Ce dispositif innovant dépasse l’état de l’art des LC-SLM traditionnels et permet de moduler en phase des impulsions laser multi-octave.Dans un premier temps, la caractérisation des propriétés optiques d’un mélange cristal liquide inconnu est proposée, basée sur l'interférométrie spectrale large bande, pour mesurer la dispersion chromatique de cristaux liquides. La technique permet de déterminer les coefficients qui régissent la variation des indices et indices de groupe en fonction de la longueur d’onde et de la température. En vue de développer une ligne à retard colinéaire adaptée aux impulsions ultra-rapides, une étude des différentes stratégies de commutation électro-optique des cristaux liquides est proposée. En particulier, une stratégie de commutation ON (excitation par un échelon de tension) est étudiée malgré la présence d'un seuil de tension (transition de Frèedericksz). Une dépendance inattendue de ce seuil avec l'épaisseur des cellules est découverte et deux régimes distincts sont déterminés. Les cellules épaisses (> 75 μm) peuvent commuter avec une tension de démarrage inférieure à ce seuil, avec un gain remarquable en excursion en biréfringence. Afin de développer les applications dans le proche et moyen infra-rouge, des cellules optimisées pour cette gamme de longueur d’onde ont été fabriquées. Une fois testées, ces cellules montrent une faible absorption laser par l'électrode (ITO), qui contribue à un échauffement local des cristaux liquides. Leur caractère thermotropique induit ainsi un changement des indices de réfraction. Le déphasage induit génère une structure spatiale en anneaux (modulation de phase spatiale). Le déphasage et, par conséquent, l'excursion de biréfringence sont analysés. De là, la température interne de la cellule est également estimée jusqu'à la transition de phase nématique-isotrope. Cette étude sur la thermotropicité induite optiquement a permis de développer une approche originale d’adressage thermo-optique des cellules. Cette stratégie innovante aboutit au dimensionnement d’un composant réflectif, dans lequel l’absorption de la lumière d’un faisceau d’écriture chauffe les cristaux liquides, tandis qu’un second (faisceau de lecture) est modulé en phase en passant dans la couche de cristal liquide. Ainsi, un nouveau dispositif optique est développé et breveté : THOR-SLM (modulateur de lumière spatiale thermo-optiquement réflectif). Trois premiers prototypes sont fabriqués afin de trouver la configuration la plus performante. Les déphasages spatial, spectral et temporel de ces prototypes sont mesurés par interférométrie. Les remarquables propriétés optiques du dispositif sont finalement exploitées : une large acceptation spectrale avec un déphasage important et continu sans pixellisation. En guise de démonstration, THOR-SLM est inséré dans une ligne à dispersion nulle pour le façonnage d’impulsions laser dont le spectre couvre plusieurs octaves. Un façonnage arbitraire sans précédent est démontré sur une largeur de bande spectrale allant du visible au moyen IR, introduisant des ...

The work presented in this thesis comes from the SOFTLITE project, a collaboration between the company FASTLITE (sas) and the Optical Group of Liquid Crystals (OCL) of the Institute of Physics of Nice (INPHYNI). The main objective of this collaboration is to develop new liquid crystal devices, based on thick layer birefringent nematic cells, to complement/replace current devices for handling, shaping and measuring ultra-fast laser pulses. In the context of this highly experimental thesis, we present an advanced characterization of the electro-optical properties of thick nematic cells (de 25μm à 250μm). We also demonstrate the ability to control these cells thermo-optically, resulting in a new spatial light modulator (LC-SLM). This innovative device goes beyond the state-of-the-art LC-SLM traditional and can phase modulate laser pulses multi-octave. Firstly, the characterization of the optical properties of an unknown liquid crystal mixture is proposed, based on broadband spectral interferometry, to measure the chromatic dispersion of liquid crystals. The technique makes it possible to determine the coefficients which govern the variation of the indices and group indices as a function of the wavelength and the temperature. In order to develop a collinear delay line adapted to ultra-fast pulses, a study of the different electro-optical switching strategies of liquid crystals is proposed. In particular, a switching strategy ON (excitation by a voltage step) is studied despite the presence of a voltage threshold (Frèedericksz transition). An unexpected dependence of this threshold with the thickness of the cells is discovered and two distinct regimes are determined. Thick cells (> 75μm) can switch with a starting voltage lower than this threshold, with a remarkable gain in birefringence excursion. In order to develop applications in the near and medium infra-red, cells optimized for this wavelength range have been manufactured. Once tested, these cells show low laser absorption by the electrode (ITO), which contributes to local heating of the liquid crystals. Their thermotropic nature induces a change in the refractive indices. The induced phase shift generates a spatial structure composed by rings (spatial phase modulation). The phase shift and, consequently, the birefringence excursion are analyzed. From these, the internal temperature of the cell is also estimated up to the nematic-isotropic phase transition. This study on thermotropicity induced optically allowed to develop an original approach of thermo-optical addressing of cells. This innovative strategy results in the design of a reflective component, in which the absorption of light from a writing beam heats the liquid crystals, while a second (reading beam) is modulated in phase by passing through the liquid crystal layer. Thus, a new optical device is developed and patented: THOR-SLM (thermo-optically reflective spatial light modulator). Three first prototypes are manufactured to find the most efficient configuration. The spatial, spectral and temporal phase shifts of these prototypes are measured by interferometry. The remarkable optical properties of the device are finally exploited: a wide spectral acceptance with a large and continuous phase shift without pixelization. To demonstrate this, THOR-SLM is inserted in a zero-dispersion line to shape a laser pulse with a spectrum spanof several octaves. Unprecedented arbitrary shaping is demonstrated over a spectral bandwidth from visible to IR, introducing positive/negative phase-to-third-order values. These results pave the way for temporal shaping capabilities of femtosecond pulses lasting a few optical cycles.