Étude et application des effets magnéto-optiques dans des couches minces sol-gel dopées à l'aide de nanoparticules magnétiques

Study and application of magneto-optical effects in magnetic nanoparticles doped sol-gel thin films

• Auteur / Autrice : François Royer
• Direction : Jean-Jacques Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, optoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Ce travail est consacré à l'étude des potentialités magnéto-optiques de couches minces d'oxyde mixte SiO2/TIO2 élaborées par voie sol-gel et dopées à l'aide de nanoparticules magnétique, pour la réalisation de guides d'ondes planaires présentant une activité magnéto-optique dans un matériau à faible indice et sur des substrats classiques en verre. Des caractérisations "amont", menées sur des ferrofluides de Maghémite et ferrite de Cobalt par ellipsométrie, montrent que le facteur de mérite de biréfringence linéaire est favorisé par les particules de Maghémite et celles de grande taille. Quant à la rotation Faraday, le facteur de mérite est meilleur pour le ferrite de Cobalt et les petites tailles. Les moyens de caractérisation développés pour l'étude des couches minces sont un banc de spectroscopie Mlines qui fournit l'indice et l'épaisseur des couches et un banc de guidage qui, couplé à une caméra CCD, permet de déterminer le coefficient d'extinction, la biréfringence de mode ou le taux de conversion TE-TM. L'élaboration des couches dopées consiste en l'ajout d'un ferrofluide de Maghémite à la solutuion de précurseurs sol-gel. Le dépôt est effectué par tirage sous champ magnétique, suivi d'un recuit à 500ʿC. Ce procédé donne des couches de qualité optique guidant la lumière sur plusieurs centimètres. L'application d'un champ magnétique pendant le tirage induit une anisotropie rémanente qui permet de réduire la biréfringence de mode TE-TM de 3,7à 2,9. 10-3. La rotation intrinsèque du matériau est 30 ʿ/cm. Les contraintes internes à la couche créent une biréfringence qui limite le taux de conversion.

This study describes how composite material, made of magnetic nanoparticles embedded in a silica/titania matrix, can be used to develop new magneto-optical planar waveguide of low refractive index on glass substrate. Prelimenary works made on ferrofluids of Maghemite and Cobalt ferrite by ellipsometry, show that linear anisotropy factor of merit is enhanced by the use of Maghemite particles and by the biggest one. Concerning the Faraday rotation, the factor is enhanced by Cobalt ferrite particles and the smallest ones. Experimental devices developed to study thin films are Mlines spectroscopy to measure the refractive index and the thickness, and a prism coupling guiding bench to measure extinction, modal birefringence and TE-TM conversion. Thin film samples are coated on pyrex substrates from a magnetic particles doped sol-gel preparation. Results show that an out of plane magnetic field applied during the gelation induces a decrease of the planar waveguide phase mismatch from 3,7 to 2,9. 10-3. Free space measurements evidences the Faraday rotation of the films up to 30ʿ/cm. However TE-TM modal conversion is limited by the too high stress birefringence of the films. Improvements and leads of further works are proposed in term of magneto-optical waveguides applications.