Analyse et optimisation des modifications induites par impulsions laser ultra brèves dans la masse de matériaux transparents

Analysis and optimization of ultrafast laser-induced bulk modifications in dielectric materials

• Auteur / Autrice : Alexandre Mermillod-Blondin
• Direction : Eric Audouard, Ingolf V. Hertel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique expérimentale. Optique et milieux dilués
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Saint-Etienne en cotutelle avec Freie Universität (Berlin)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés optiques

Diélectriques

Microscopes à contraste de phase

Lasers femtoseconde

Résumé

En focalisant une impulsion lumineuse ultra brève dans la masse d'un matériau diélectrique transparent, un mécanisme d'ionisation non-linéaire peut conduire à la création de porteurs libres. L'énergie lumineuse est alors efficacement déposée. Après relaxation de l'énergie, un matériau avec de nouvelles propriétés optiques est obtenu. Les propriétés optiques de ce matériau transformé ainsi que la morphologie de la zone altérée sont caractérisés en microscopie à contraste de phase et en microscopie optique classique. Les échantillons étudiés sont principalement la silice pure et le N-BK7. Les observations expérimentales sont corrélées avec une estimation théorique de la densité d'énergie déposée obtenue en résolvant l'équation de Schrödinger non-linéaire. Dans la silice pure, l'apparition d'une micro-cavité est ainsi associée à une région de forte exposition à l'énergie lumineuse. Une étude basée sur un dispositif de microscopie de phase et de microscopie classique caractérisée par une résolution spatiale submicrométrique et une résolution temporelle subpicoseconde est également présentée. Cette analyse révèle l'importance des phénomènes thermiques et des effets thermomécaniques. En optimisant la forme temporelle de l'impulsion, nous démontrons la possibilité de conduire le matériau de manière permanente dans des états inaccessibles lorsqu'on se limite à une irradiation ultra brève classique. En particulier, nous montrons l'existence de régions de densités élevées dans le BK7 après irradiation. Enfin, la souplesse offerte par la mise en forme temporelle est employée afin de réaliser l'écriture de guides d'ondes enterrés dans le BK7

By focusing an ultrashort pulse of light in the volume of a transparent dielectric, free carrier generation takes place via nonlinear ionization. A substantial part of the laser energy is deposited into the free carrier gas, transferred into the bulk, and a material with new optical properties emerges upon energy relaxation. Phase contrast (PCM) and optical transmission microscopy (OTM) techniques are employed to characterize the morphology of the laser-induced refractive index change in the bulk of amorphous silica and N-BK7. The experimental results are correlated with a theoretical estimation of the energy deposited in the vicinity of the focal plane based on the resolution of the nonlinear Schrödinger equation. In fused silica, the formation of a void is connected with the appearance of a high energy exposure upon nonlinear propagation. A time-resolved study of the laser generated refractive index modifications with sub-picosecond and sub-micrometer resoltion is performed. This analysis points out the importance of the thermal mechanisms and of the subsequent thermochemical transformations in laser modification of bulk dielectrics. By using an adaptative pulse shaping apparatus, we demonstrate that optical structures that do not normally appear in standard ultrafast irradiation conditions can be generated. In particular, we report the onset of large positive refractive index regions in BK7. Finally, the flexibility offered by temporal pulse manipulation is exploited for microprocessing purposes. We demonstrate writing of embedded waveguiding structures at optical frequencies in the bulk of BK7