Mise en forme de la lumière par interaction spin-orbite optique

Structuring light from optical spin-orbit interaction

• Auteur / Autrice : Vagharshak Hakobyan
• Direction : Etienne Brasselet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Miguel Alonso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Mairesse
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Grosjean, Marc Guillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux optiques

Moment angulaire

Spin

Faisceaux gaussiens

Polarisation (lumière)

Mots clés libres

Lumière structurée

Mise en forme de faisceau

Interaction spin-orbite

Modalité

Optique

Moment angulaire de la lumière

Structured light

Beam shaping

Spin-orbit interaction

Modality

Optics

Light angular momentum

Résumé

L'interaction spin-orbite pour la lumière permet le couplage entre les degrés de liberté associés à l'état de polarisation de la lumière et ceux associés à l'espace. Ce couplage est particulièrement important dans les milieux qui sont à la fois inhomogènes et anisotropes. Dans ce travail, nous exploitons la mise en forme des propriétés de biréfringence artificielle ou naturelles de matériaux optiques tels que la silice, le nitrure de silicium, le silicium ou les cristaux liquides pour façonner différentes propriétés d'un faisceau lumineux. En particulier, nous démontrons la réalisation d'éléments optiques originaux permettant la transformation d'un faisceau gaussien en un faisceau de Laguerre-Gauss. En exploitant la superposition de tels modes générés par le couplage spin-orbite optique, nous montrons qu'il est possible de façonner des textures de polarisation de type skyrmion. Enfin, en tirant parti de la dépendance en longueur d'onde du niveau d'interaction spin-orbite, des dispositifs électro-optiques à base de cristaux liquides sont proposés pour moduler spectralement la topologie de la distribution de phase spatiale du champ lumineux, ce qui ouvre un champ d'applications dans la mise en forme d'impulsions optiques ultra-brèves.

The spin-orbit interaction for light allows coupling between the degrees of freedom associated with the polarization state of light and those associated with space. Such coupling is particularly important in media that are both inhomogeneous and anisotropic. In this work, we exploit the shaping of artificial or natural birefringence properties of optical materials such as silica, silicon nitride, silicon, or liquid crystals to shape different properties of a light beam. In particular, we demonstrate the realization of original optical elements that allow the transformation of a Gaussian beam into a Laguerre-Gauss beam. By exploiting the superposition of such modes generated by optical spin-orbit coupling, we show that it is possible to shape skyrmion-like polarization textures. Finally, by exploiting the wavelength dependence of the level of spin-orbit interaction, liquid crystal-based electro-optical devices are proposed to spectrally modulate the topology of the spatial phase distribution of the light field, opening a field of applications in the shaping of ultrashort optical pulses.