Manipulation de faisceaux vectoriels afin d'imprimer une chiralité optique par laser femtoseconde dans les verres

Space variant manipulation of vector beams in ultrafast laser direct writing chirality

• Auteur / Autrice : Jiafeng Lu
• Direction : Matthieu Lancry, Xianglong Zeng
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Université de Shanghai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....) - Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks (Shanghai)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Xianfeng Chen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Quanzhong Zhao, Junsong Peng, Ye Dai, Vincent Ning Ji
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Quanzhong Zhao, Junsong Peng

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verre de silice

Lasers femtoseconde

Polarimétrie

Vortex optiques

Silicates

Chiralité

Mots clés libres

Chiralité

Silice

Faisceaux vectoriels

Polarisation

Laser ultra-rapide

Variante spatiale

Fibre optique

Chirality

Silica

Vector beams

Polarization

Ultrafast laser

Space variant

Optical fiber

Résumé

La chiralité, l'incapacité des objets à coïncider avec leurs images miroirs par simple traduction et rotation, est répandue dans la nature. L'essence de la chiralité est la rupture de symétrie, qui présente des réponses différentes lors de l'interaction avec d'autres objets chiraux. La lumière peut aussi être chirale. Par exemple, les lumières à polarisation circulaire avec gauche/droite ou, plus intéressant encore, les lumières vortex portant des charges topologiques positives/négatives sont des énantiomères chiraux. En raison de la distribution topologique spatiale unique, les champs optiques chiraux, en particulier les lumières vortex, sont des sujets clés dans la détection chirale, la science de l'information quantique, la lumière structurée et la nanophotonique. Le moteur clé pour répondre à ces potentiels est corrélé à une manipulation des champs de lumière chiraux de vortex variant de l'espace. Par rapport à la génération statique conventionnelle de champs de lumière vortex, la manipulation du champ optique de variante spatiale via des interactions acousto-optiques redynamise les lumières vortex vers la commutation rapide et la réglable dynamique. De plus, les interactions chirales entre la lumière femtoseconde et la matière peuvent non seulement enrichir les fondamentaux de l'optique non linéaire, mais aussi favoriser le développement de matériaux photoniques chiraux. D'un point de vue fondamental, l'écriture directe au laser femtoseconde permet des modifications structurelles permanentes très localisées en 3D dans des matériaux transparents avec un minimum de dommages collatéraux. Il bénéficie des forces lumineuses agissant sur le plasma et sa nano structuration selon les compositions données du matériau, ce qui contribue à la nucléation, la nano cavitation, et même la nano cristallisation. Ces effets non linéaires pourraient être un support idéal pour réaliser une implantation fonctionnelle au matériau, y compris des propriétés optiques chirales. L'objectif de cette thèse est de comprendre le mécanisme interne des interactions chirales entre la lumière et la matière et d'adapter le transfert de chiralité en elles. D'une part, nous cherchons à réaliser la commutation de mode dynamique via des interactions acousto-optiques dans des fibres à quelques modes. L'avantage de la réglable dynamique des interactions acousto-optiques, la commutation de vortex avec différentes charges topologiques est démontrée. Cette approche est basée sur l'effet combiné de la biréfringence optique et acoustique, qui conduit à une rupture de symétrie dans le processus de conversion de mode et donc une résonance divisée des modes de vortex orthogonaux. En outre, le processus transitoire de la dynamique de commutation est étudié dans le laser à fibre ultra-rapide en utilisant la transformée de Fourier dispersive étirée dans le temps. D'autre part, en examinant la dépendance à la polarisation, On révèle que le mécanisme interne de la chiralité induite par le laser femtoseconde est bien une chiralité optique (chiralité extrinsèque), qui est due à un effet joint de la biréfringence de forme et du champ de contrainte avec des axes neutres non parallèles et non perpendiculaires. En tirant profit du modèle à deux-couches proposé, de fortes propriétés optiques circulaires ont été réalisées dans des lunettes de silice par une stratégie multicouche et un faisceau chiral Bessel avec orientation de polarisation linéaire tournant le long de la propagation du faisceau. En outre, un nanoréseau de fibres est étudié pour former un polariseur en ligne et des dispositifs optiques potentiellement chiraux. En tant que propriété physique et chimique importante, l'étude de la manipulation du champ lumineux chiral et de son interaction avec les matériaux joue un rôle important dans les domaines du tri des particules, de la communication optique à grande capacité, des puces photoniques, de l'imagerie à super-résolution et du traitement micro-nano laser ultra-rapide.

Chirality, the inability of objects to coincide with their mirror images by simple translation and rotation, is widespread in nature. The essence of chirality is symmetry breaking, which exhibits different responses when interacting with other chiral objects. Light can also be chiral. For example, circularly polarized lights with left-handedness/right-handedness or more interestingly, vortex lights carrying positive/negative topological charges are chiral enantiomers of each other, respectively. Due to the unique spatial topological distribution, chiral optical fields, especially vortex lights, are key topics in chiral detection, quantum information science, structured light, and nano-photonics. The key enabler to meet these potentials correlates to a space variant manipulation of the chiral vortex light fields. Compared to conventional static generation of vortex light fields, space variant optical field manipulation via acousto-optic interactions reinvigorates the vortex lights towards fast switching and dynamic tunability. Since the phonon and photon can interact and co-propagate along the fiber, external control of the microwave acoustic signal is capable of non-destructive manipulation of the light wave travelling inside the fiber. In addition, the chiral interactions between femtosecond light and matter can not only enrich the nonlinear optics fundamentals, but also promote the development of chiral photonic materials. From a fundamental perspective, femtosecond laser direct writing allows 3D highly localized permanent structural modifications in transparent materials with minimal collateral damages. It benefits from the light forces acting on the plasma and its nano structuration according to the given compositions of the material, which contributes to the nucleation, nano cavitation, and even nano crystallization. These nonlinear effects could be an ideal support to achieve functional implantation to the material including chiral optical properties. The objective of this thesis is to figure out the inner mechanism of chiral interactions between light and matter and to tailor the chirality transfer in them. On the one hand, we seek to realize the dynamic mode switching via acousto-optic interactions in few-mode fibers. Benefit from the dynamic tunability of the acousto-optic interactions, vortex switching with different topological charges is demonstrated. This approach is based on the co-effect of the optical and acoustic birefringence, which leads to a symmetry breaking in the mode conversion process and thus a divided resonance of orthogonal vortex modes. Besides, the transient process of switching dynamics is investigated in ultrafast fiber laser by utilizing time-stretched dispersive Fourier transform. On the other hand, by investigating the polarization dependence, we reveal the internal mechanism of femtosecond laser induced chirality is indeed an optical chirality (extrinsic chirality), which is due to a joint effect of form birefringence and stress field with non-parallel and non-perpendicular neutral axes. By taking profit from the proposed two-layers model, strong circular optical properties have been realized in silica glasses by a multilayer strategy and a Bessel chiral beam with linear polarization orientation rotating along the beam propagation. In addition, fiber nanograting array is investigated to form an in-line polarizer and potentially chiral optical devices. As an important physical and chemical property, the study on the manipulation of chiral light field and its interaction with materials plays an important role in the fields of particle sorting, high-capacity optical communication, photonic chips, super-resolution imaging and ultrafast laser micro-nano processing.