Conception de structures diffractantes synthétiques pour les applications de visualisation 3D et leur fabrication par un processus parallélisé, innovant de polymérisation à deux photons

Design of synthetic diffractive structures for 3D visualization applications and their fabrication by a novel parallel-write two-photon polymerization process

• Auteur / Autrice : Qiang Song
• Direction : Kevin Heggarty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 10/09/2020
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Optique
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kevin Heggarty, Pierre Ambs, Jana B. Nieder, Frank Wyrowski
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Ambs, Jana B. Nieder

Mots clés

Mots clés contrôlés

Holographie

Matériaux optiques

Mots clés libres

Éléments optiques diffractifs

Hologramme de sécurité

Polymérisation à deux photons

Diffractive optical elements

Security hologram

Two-photon polymerization

Résumé

Les éléments optiques diffractifs (EOD) sont maintenant largement utilisés dans les applications universitaires et industrielles grâce à leurs caractéristiques ultra-minces et compactes et à leur très flexible manipulation des fronts d'ondes lumineuses. Malgré ces excellentes propriétés, la portée d'application des EOD est souvent limitée par le fait que la plupart des DOE sont conçus pour générer uniquement des motifs projetés en 2D, et plus important encore, pour être utilisés uniquement avec des sources laser monochromatiques, cohérentes, souvent collimatées. Les contraintes de coût et de sécurité oculaire des sources laser limitent fortement les applications de visualisation des EOD telles que les hologrammes de sécurité, et la nature 2D des motifs générés limite les applications de réalité virtuelle ou augmentée. Pour surmonter ces restrictions, cette thèse vise la conception et la fabrication de structures diffractives 3D sélectives en longueur d'onde qui peuvent produire un objet 3D ''flottant'' perçu à plusieurs angles de vue derrière le substrat EOD lorsqu'il est éclairé par des sources LED blanches facilement disponibles et bon marché. Dans une première approche, nous développons et validons expérimentalement une série de nouveaux algorithmes de conception pour des structures EOD conventionnelles, optiquement ''minces'' sous un éclairage incohérent et divergent ; d'abord pour projeter des motifs 2D, puis pour créer des images 2D virtuelles et enfin des motifs 3D virtuels. Dans un deuxième temps, nous exploitons les capacités des structures optiquement ''épaisses'' de type Bragg pour introduire une sélectivité spectrale (vers des modèles de sortie de couleur) et améliorer l'efficacité de la diffraction. Comme l'approximation des éléments minces n'est pas valable pour la conception de structures photoniques 3D optiquement épaisses, nous développons un algorithme d'optimisation des essaims de particules basé sur un modèle de diffraction rigoureux pour concevoir des structures diffractives synthétiques optiquement épaisses très innovantes. La fabrication rentable de ces structures micro et nano-photoniques entièrement 3D proposées est très difficile lorsqu'on utilise les techniques lithographiques traditionnelles actuelles qui sont généralement limitées, en pratique, à la fabrication de structures 2D ou 2,5D. À cette fin, le département d'optique de l'IMT Atlantique met actuellement au point un prototype avancé de photoplotter de polymérisation à deux photons massivement parallélisés (2PP) pour la fabrication de structures photoniques entièrement tridimensionnelles de grande surface. Nous présentons nos contributions à la conception et au développement des modules d'illumination critiques et de haute uniformité pour le nouveau prototype de photoplotteur 2PP. La recherche et le développement de cette thèse contribuent à l'élargissement des applications de l'EOD à des domaines actuellement inaccessibles. Les méthodes de conception développées peuvent également trouver des applications dans des domaines d'affichage holographique tels que la réalité augmentée automobile.

Diffractive Optical Elements (DOEs) are now widely used in academic and industrial applications due to their ultrathin, compact characteristics and their highly flexible manipulation of light wave-fronts. Despite these excellent properties, the scope of DOE applications is often limited by the fact that most DOEs are designed to generate only 2D projected patterns, and even more importantly, for use only with monochromatic, coherent, often collimated, laser sources. The cost and eye safety constraints of laser sources severely restrict DOE visualisation applications such as security holograms, and the 2D nature of the generated patterns limits virtual or augmented reality applications. To overcome these restrictions, this thesis targets the design and fabrication of wavelength selective 3D diffractive structures which can produce a perceived multiple view-angle “floating” 3D object behind the DOE substrate when illuminated by readily available and cheap white LED sources. In an initial approach we develop and experimentally validate a series of novel design algorithms for conventional optically “thin” DOE structures under incoherent, divergent illumination; first to project 2D patterns, then to create virtual 2D images and finally virtual 3D patterns. In a second stage, we leverage the capacities of optically “thick”, Bragg-like structures to introduce spectral selectivity (towards colour output patterns) and improve diffraction. Since the thin element approximation is invalid when designing optically thick 3D photonic structures we develop a particle swarm optimization algorithm based on a rigorous diffraction model to design highly innovative optically thick synthetic diffractive structures. The cost-effective fabrication of such proposed fully 3Dmicro- and nano-photonics structures is highly challenging when using current traditional lithographic techniques which are generally limited, in practice, to the fabrication of 2D or 2.5D structures. To this end, an advanced prototype massively parallelized two-photon polymerization (2PP) photoplotter for the fabrication of large area fully 3D photonic structures is currently being developed by the IMT Atlantique Optics Department. We present our contributions to the design and development of the critical, high uniformity illumination modules for the new prototype 2PP photoplotter. The research and development in this thesis contributes to the broadening of DOE applications to fields which are currently inaccessible. The developed design methods can also find applications in holographic display fields such as automotive augmented reality.