Etude de la structuration laser femtoseconde multi-échelle de verres d'oxydes dopés à l'argent

Study of femtosecond laser multi-scale structuring of oxyde glasses doped with silver

• Auteur / Autrice : Marie Vangheluwe
• Direction : Lionel Canioni, Réal Vallée
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, matière et nanosciences
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université Laval (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Canioni, Réal Vallée, Evelyne Fargin, Yannick Petit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Bellouard, Aurélien Crut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers femtoseconde

Argent

Verre de silice

Nanoparticules

Mots clés libres

Structuration

Laser femtoseconde

Verres d’oxydes

Nanoréseaux de surface

Nanoparticules d’argent

Résonance plasmon de surface

Structuring

Femtoseconde laser

Oxyde glasses

Surface nanogratings

Silver nanoparticles,

Surface plasmon resonance

Résumé

La structuration laser femtoseconde (fs) de verres d’oxydes est un domaine de larecherche en pleine expansion. L’interaction laser-matière est utilisée pour sa facilité de miseen oeuvre et les nombreuses applications découlant de la fabrication des composantsphotoniques. En effet, un faisceau d’impulsions ultra-courtes focalisé dans un matériautransparent atteint une intensité suffisante pour modifier en 3D la matière à des échelles microetnanométrique. Ce mémoire se compose de deux volets. Le premier volet traite del’interaction laser fs en surface de verres menant à une auto organisation périodique de lamatière. L’influence du dopage ions photosensibles et des paramètres d’irradiation laser sontétudiées afin d’appuyer le modèle d’incubation pour la formation de nanoréseaux. À travers uneapproche innovante, il a été permis le contrôle de ces structures nanométriques périodiquespour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée de volume.Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en ion argent, ont été étudiées pourcomprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d’argent (Ag-NPs). Ce travaildémontre le lien entre la physicochimie des verres et le caractère hors équilibrethermodynamique de l’interaction qui influence les conditions de nucléation/croissances des Ag-NPs. Les résultats sont comparés aux modélisations de la réponse optique du plasmon desurface des Ag-NPs. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvellesapproches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l’interactionlaser fs pour l’inscription de briques photoniques dans des verres d’oxydes.

Femtosecond direct laser writing (fs-DLW) of oxide glasses is a growing researchand development area. It is also increasingly used in the high-tech industry thanks to its simpleimplementation and numerous possible applications emerging from the photonic componentsmanufacture. Indeed, an ultra-short focused beam in a transparent material reaches a sufficientintensity to 3D modify the material on micro- or nanometer scale. However, the fs-DLW regimesat such high intensity are not completely understood, and the materials, already used, are notperfectly adapted for new photonics applications. This research work aims to provide answersto those open questions. This thesis is based on two thrusts. The first one addresses the issueof the glass surface DLW with fs pulses which lead to self organized periodic structures. Theinfluence of photosensitive doping ions and irradiation parameters are studied to support theincubation model for nanogratings surface formation. This study allows the control of theseperiodic nanostructures for further applications. The second thrusts deals with localized volumecrystallization. Several glassy matrices with various silver oxide doping have been studied tounderstand the mechanisms of silver nanoparticles (Ag-NPs) precipitation. This workdemonstrates the link between the physical chemistry of the glass and the non-equilibriumthermodynamic state during fs-DLW to influence nucleation and growth conditions of Ag-NPs.These results are compared to models that describe the optical responses of plasmonicbehavior. This research opens on new approaches and prospects for applications andunderstandings of fs-DLW of novel photonic bricks.