Transformation photo-assistée de diélectriques pour l’optique par laser à impulsions ultra-brèves : études des mécanismes microscopiques

Ultrafast laser-induced modification of optical glasses : a spectroscopy insight into the microscopic mechanisms

• Auteur / Autrice : Konstantin Mishchik
• Direction : Aziz Boukenter, Razvan Stoian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique, Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 12/07/2012
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Jury : Président / Présidente : Youcef Ouerdane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Champagnon, Matthieu Lancry, Javier Solis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs optoélectroniques

Spectroscopie Raman

Silice

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Microstructuration

Laser femtoseconde

Silice

Verre borosilicate

Spectroscopie

Dispositifs optiques

Femtosecond laser

Silica

Borosilicate glass

Spectroscopy

Optical devices

Résumé

Le changement local de l'indice de réfraction (CLIR) est l’élément constitutif des fonctions optiques créées par laser dans des matériaux transparents. Selon le régime de l'interaction et en particulier en fonction de la dose d’énergie déposée, de la durée de l'impulsion laser et des conditions de focalisation on peut induire un CLIR isotrope et positif ou produire à l’échelle nanométrique des structures auto-arrangées présentant une biréfringence. Ce changement est essentiel pour les applications photoniques intégrées utilisant des matériaux comme la silice, ce qui été démontré dans la thèse par réalisation des composants optiques allant du simple guide canal enterré à des dispositifs sensibles à la polarisation. En parallèle au développement d’applications photoniques nous avons étudiés les mécanismes microscopiques à l’origine de la modification des propriétés optiques des diélectriques utilisés. Nous avons appliqué les techniques de micro photoluminescence et microspectroscopie Raman pour étudier la formation des défauts ponctuels et des chemins de réorganisation de la structure du verre. Ces modifications de structure de verres jouent un rôle important dans le changement des propriétés électroniques de la silice fondue et, par conséquent, de ses constantes optiques. L’ensemble de ces résultats spectroscopiques nous a permis de revisiter les schémas de densification dans la silice et de proposer un scénario de densification assistée par les défauts générés suite à la relaxation des excitons auto-piégés

Local refractive index changes (RIC) are the building blocks of laser-induced optical functions in bulk transparent materials, where the use of a fused silica as a target material plays a paramount role. Depending on the regime of laser interaction ultra-short pulses can induce positive isotropic refractive index changes (usually denoted as type I) or produce self-arranged nano-scale layered structures resulting in form birefringence (type II). In this thesis we have studied two objectives related to these material transformations. From the one side, we qualitatively determined the effects of the focused ultra-short laser pulses on the fused silica and borosilicate glasses. With the independent control of the energetic dose, pulse duration and focusing conditions, the isotropic type I and birefringent type II traces could be performed with the certain optical properties. Finally, complex polarization sensitive devices were designed and fabricated. From the other side, as these types of RIC have consequences in the functionality and the performances of 3D embedded optical devices, an investigation of the laser-induced structures is particularly useful. We applied photoluminescence and Raman microscopy (RM) to investigate defect formation and glass network reorganization paths. The proposed spectroscopy study distinguishes type I and type II regions by presence and distribution of silicon clusters and non-bridging oxygen hole centers (NBOHC). RM reveals signs of compaction of the glass network in the RIC regions. At the same time, zones with high concentration of NBOHC where no visible RIC and densification signs were detected. Assuming that these zones are precursors of permanent visible modification, we propose a scenario of cold defect-assisted densification realized in type I irradiation regime. This, thereby, revises the densification paths in fused silica