Inscription laser femtoseconde des Modifications de Type-A : applications à la dosimétrie résolue spatialement des rayons X et aux réseaux de Bragg volumique

Femtosecond-laser-written Type A modifications : Application to X-ray spatially-resolved dosimetry and volume Bragg gratings

• Auteur / Autrice : Joelle Harb
• Direction : Lionel Canioni, Yannick Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel d' Humières
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Destouches, Adriana Morana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Lecler, Bruno Capoen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verres de phosphate

Processus à plusieurs photons

Absorption

Mots clés libres

Inscription laser femtoseconde

Verres contenant de l'argent

Agrégats d'argent

Modifications de Type-A

Irradiation aux rayons X

Dosimétrie résolue spatialement

Réseaux de Bragg volumique

Femtosecond laser inscription

Silver-containing glasses,

Silver clusters

Type-A modifications

X-ray irradiation

Spatially-resolved dosimetry

Volume Bragg gratings

Résumé

L’inscription laser directe a connu une croissance remarquable en tant que domaine de recherche au cours des deux dernières décennies, basée sur le processus d'absorption multiphoton. Cette technique, connue pour sa fiabilité et son efficacité, permet la formation de modifications permanentes et confinées dans les verres, induisant des structures optiques 3D complexes jusqu'à des dimensions sub-micrométriques. Au fil des ans, les chercheurs se sont engagés profondément dans l’inscription laser directe femtoseconde sur une gamme diversifiée de familles de verres. En particulier, la famille des verres de phosphate présente de nombreuses caractéristiques avantageuses, notamment avec l'ajout de substances photosensibles, telles que l'argent. Ainsi, l'interaction femtoseconde permet le regroupement des ions d'argent, induisant la création des agrégats d'argent fluorescents Agmx+ à proximité du voxel d'interaction. Sur la base de ces agrégats d'argent, un type distinct de modification de l'indice de réfraction a été démontré, désigné sous le nom de Type-A (avec A faisant référence à Argentum). Dans ce projet, nous tirons parti des modifications de Type-A afin de créer de nouveaux types de composants optiques grâce à leurs propriétés de fluorescence et de changement d'indice de réfraction. Le travail rapporté et présenté dans ce manuscrit a un double objectif.D'une part, nous explorons le potentiel des structures fluorescentes distribuées en 3D créées par inscription laser pour la dosimétrie résolue spatialement des rayons X. Dans ce contexte, une nouvelle technique combinant la radio photoluminescence et l'irradiation laser femtoseconde est utilisée dans nos verres. Notre étude montre que l'ensemble des expériences spectroscopiques met en évidence la résilience des agrégats d'argent induite par le laser, ces espèces agissant comme des sondes locales des doses déposées dépendant de la profondeur. De plus, des mesures in situ ont été réalisées sur des guides d'ondes supportant la distribution des agrégats d'argent induite par des impulsions femtosecondes.D'autre part, ce travail rend compte de la fabrication de réseaux optiques périodiques basés sur la modification de l'indice de réfraction de Type-A, qui ont été exploités pour la réalisation de réseaux de Bragg volumique de transmission (VBG). Les VBG de Type-A sont présentés en utilisant plusieurs techniques, allant de la multicouche à l'utilisation de la géométrie du faisceau gaussien standard à l'approche du masque de phase. Par conséquent, les VBG de Type-A ont été réalisés avec succès pour la toute première fois. Un résultat notable de cette recherche est l'inscription d'un réseau de plan unique inscrit avec un faisceau femtoseconde Gaussien-Bessel. Cette approche a donné une efficacité de diffraction remarquablement élevée de 95%. Ainsi, ce travail ouvre la voie à des VBG inscrites en femtoseconde hautement efficaces et adaptées aux applications industrielles.

Direct Laser Writing (DLW) has seen remarkable growth as a research field over the past two decades, based on the process of multiphoton absorption. This technique, known for its reliability and efficiency, enables the formation of permanent and confined modification in glasses, inducing complex 3D optical structures down to sub-micrometer dimensions. Over the years, researchers have delved deeply into femtosecond direct laser writing across a diverse range of glass material families. In particular, the phosphate glass family represents numerous advantageous characteristics, especially with the addition of photosensitive substances, such as silver. Thus, the femtosecond interaction enables the clustering of silver ions, inducing the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. Based on silver clusters, a distinct type of refractive index modification was demonstrated, labeled as Type-A (with A referring to Argentum). In this project, we take advantage of Type-A modifications to create new types of optical components through their fluorescence and refractive index change properties. The research presented in this manuscript has a dual objective.On one hand, we investigate the potential of the 3D distributed fluorescent structures created by laser inscription in spatially-distributed X-ray dosimetry. Within this context, a novel technique combining radiophotoluminescence and femtosecond laser irradiation is employed in our glasses. Our study shows that the ensemble of the spectroscopic experiments highlights the resilience of laser-induced silver clusters, these species acting as local probes of the depth-dependent deposited doses. Additionally, in-situ measurements were carried out on waveguides supporting femtosecond-induces silver cluster distribution.On the other hand, this work reports on the fabrication of periodic optical gratings based on Type-A refractive index change which have been exploited for the realization of transmission Volume Bragg Gratings (VBGs). The Type-A VBGs are presented using several techniques, from multi-layer using standard Gaussian beam geometry to the phase mask approach. Consequently, Type-A VBGs have been successfully realized for the very first time. A noteworthy outcome of this research is the inscription of a single plane grating inscribed with a Gaussian-Bessel femtosecond beam. This approach yielded a remarkable and high diffraction efficiency of 95%. Thus, this work opens the avenue for highly effective femtosecond-written VBGs suitable for industrial applications.