Investigation par spectroscopie Raman des propriétés photoréfractives et microstructurales de LiNbO3 dopé

Investigation by Raman spectroscopy of the microstructural and photorefractive properties of doped LiNbO3

• Auteur / Autrice : Sabrina Mignoni
• Direction : Marc Fontana, Patrice Bourson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/11/2010
• Etablissement(s) : Metz
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Chauvet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Bazzan, Marc De Micheli, Michaël Karkut, Hervé Rinnert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Imagerie spectroscopique

Effet photoréfractif

Propriétés optiques

Lithium -- Composés

Mots clés libres

Niobate de lithium

Structure cristalline

Résumé

Le niobate de lithium LiNbO3 (LN) est un excellent matériau pour diverses applications en raison de ses propriétés photoréfractives (PR). Un des enjeux de recherche de ce matériau consiste à réaliser des guides optiques PR performants pour l'optique intégrée. L'objectif de la thèse consiste à déterminer les conditions optimales de réalisation de la diffusion du fer (Fe) dans le LN, par le contrôle de sa microstructure et l'estimation de ses propriétés PR par une seule et même technique, la spectroscopie Raman.Plusieurs échantillons LN:Fe ont été étudiés lors de ce travail. Il s'agit entre autres de contrôler le profil de diffusion du fer, et d'estimer l'influence du traitement oxydant ou réducteur sur les différents cristaux.En effet j'ai pu montrer que la microstructure était modifiée non seulement par l'introduction d'un dopant comme Fe, mais aussi par les divers traitements. J'ai aussi mis en évidence pour la première fois le mécanisme de l'incorporation des ions Fe dans des structures de LN obtenues par diffusion.Par ailleurs, j'ai proposé une nouvelle approche des règles d'activité Raman, qui ainsi peuvent prendre en compte des non linéarités optiques du second ordre, ce qui est en général négligé dans la littérature. J'ai ainsi établi les configurations Raman dans lesquelles, soit les intensités de raies sont amplifiées, soit de nouvelles raies sont activées par un processus non linéaire. Ces prédictions ont été confirmées par des résultats expérimentaux obtenus sur plusieurs échantillons. Enfin, j'ai pu proposer une nouvelle méthode d'estimation de l'efficacité PR permettant de comparer utilement divers échantillons selon leur dopage ou traitement.

Lithium niobate LiNbO3 (LN) is an excellent material for various applications in particular thanks to its photorefractive (PR) properties. One of the research goals for this material consists in performing efficient PR optical waveguides for integrated optics.The objective of the thesis is to determine the optimum performing conditions for the iron (Fe) diffusion in LN, by controling its microstructure and estimating its PR properties with only one technique, Raman spectroscopy.Several LN:Fe samples have been studied within this work. The aim is, among others, to control the iron diffusion profile, and to estimate the influence of the oxidizing or reducing treatment on the different crystals.Indeed I was able to show that the microstructure has been affected not only by the introduction of a dopant as Fe, but also by the various treatments. I showed for the first time the mecanism of Fe ions incorporation in LN structures obtained by diffusion.Otherwise, I proposed a new approach of the Raman activity rules, in the way they can take into account optical nonlinearities of the second order, which is generally neglected in litterature. Thus I have established the Raman configurations where, or the intensities of the lines are enhanced, or new lines are activated by a nonlinear process. These predictions have been confirmed by experimental results obtained on many samples. At last, I was able to propose a new method for the estimation of the PR efficiency, allowing to compare usefully several samples according to their doping or treatments.