Autofocalisation photoréfractive de faisceaux d’Airy : interactions non linéaires et guidage tout optique

Photorefractive self-focusing of Airy beams : nonlinear interactions and all-optical waveguiding

• Auteur / Autrice : Noémi Wiersma
• Direction : Delphine Wolfersberger, Nicolas Marsal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/10/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Partenaire(s) de recherche : établissement d'accueil : SUPELEC Prospective et ingénierie Est
• Jury : Président / Présidente : Mustapha Tlidi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cornelia Denz, Éric Louvergneaux, Eugenio Del Re, Jean-Paul Salvestrini, Marc Sciamanna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cornelia Denz, Éric Louvergneaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Optique des faisceaux

Optique non linéaire

Airy, Fonctions d'

Mots clés libres

Optique non linéaire

Photoréfractif

Faisceaux d'Airy

Photonique

Propagation

Non linear optics

Propagation

Airy beam

Photonics

Photorefractive

Résumé

La thèse présente l’étude de la propagation et de l’auto-focalisation de faisceaux d’Airy dans un milieu photoréfractif. Le faisceau d’Airy est un faisceau dit accélérant qui, dans l’espace libre, présente une trajectoire curviligne, ne se déforme pas et est capable de se régénérer après un obstacle. L’auto-focalisation de faisceaux conventionnels, tels les faisceaux gaussiens, a été étudiée dans des milieux nonlinéaires en particulier pour des applications de routage tout-optique. En propageant des faisceaux optiques à travers de tels milieux photosensibles, il est possible de graver optiquement des guides d’onde retraçant la trajectoire de ces faisceaux. C’est dans ce contexte que le faisceau d’Airy suscite beaucoup d’intérêt, grâce à sa forme et sa trajectoire uniques. Dans ce mémoire nous étudions expérimentalement comme théoriquement les mécanismes d’auto-focalisation du faisceau d’Airy. Durant le régime transitoire de l’effet d’auto-focalisation, nous montrons des dynamiques spatiotemporelles singulières qui suggèrent une analogie avec les interactions gravitationnelles entre un objet massique et une onde se propageant dans l’espace-temps courbe. Dans un second temps, nous ajoutons un faisceau d’Airy se propageant dans la direction opposée au premier afin d’analyser leurs interactions. Ensuite, nous testons ces structures guidantes photoinduites par un ou deux faisceaux d’Airy, qui révèlent des possibilités de guidage uniques, non accessibles avec deux faisceaux conventionnels. Ces faisceaux optiques peuvent permettre de réaliser des fonctions de couplage, routage et multiplexage optique. Par ailleurs, nous étudions les limites de la force de guidage en augmentant la nonlinéarité d’autofocalisation du système. Les dynamiques spatiotemporelles qui en dérivent présentent des comportements et une évolution particuliers suggérant des applications dans le routage tout-optique stationnaire tout comme dynamique. Pour conclure, cette thèse nous permet de démontrer les alternatives prometteuses que nous offre le faisceau d’Airy dans la physique générale et plus particulièrement dans la photonique pour le routage tout-optique

In this thesis we study the propagation and the self-focusing of Airy beams in a photorefractive crystal. The Airy beam is a so-called accelerating beam which propagates in free space along a curved trajectory and with a shape-preserving and self-healing nature. The self-focusing of conventional beams, such as Gaussian beams, has been studied in nonlinear media in particular for all-optical routing solutions. By propagating optical beams in such photosensitive media, one can induce waveguides with the shape of the optical beams’ trajectories. The unique shape and trajectory of the Airy beam however suggest innovative waveguide possibilities. In this manuscript we theoretically and experimentally study the self-focusing mechanisms of the Airy beam. In particular during the transient self-focusing effect, we enlighten peculiar spatiotemporal dynamics suggesting an analogy with the gravitational interactions between a mass and a wave propagating in a curved spacetime. In a second step we add an Airy beam propagating in the opposite direction to analyze their cross-coupling interactions. The guiding structures induced by one or two counterpropagating Airy beams are then tested and show peculiar guiding possibilities that are not achievable using two conventional beams: optical beams can be guided along curved trajectories and eventually split into multiple beams. Furthermore the limits of the waveguiding strength are studied by increasing the self-focusing nonlinearity of the system. The resulting spatiotemporal dynamics present a peculiar behavior and evolution with possible applications in static and dynamical all-optical routing as well as optical computing such as random number generation. Finally with this thesis we demonstrate that the Airy beam offers promising alternatives in general physics and more specifically in photonics for all-optical routing