Cristaux liquides adressés thermo-optiquement pour l'optique ultra-rapide

Thermo-optically addressed liquid crystals for ultrafast optics

• Auteur / Autrice : Loïc Ramousse
• Direction : Aurélie Jullien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/07/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Olivier Utéza
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Jullien, Olivier Utéza, Inka Manek-Hönninger, Frédéric Druon, Sébastien Montant, Nicolas Forget
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Inka Manek-Hönninger, Frédéric Druon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Modulateurs de lumière

Cristaux liquides nématiques

Optique physique

Mots clés libres

Optique ultra-rapide

Cristaux liquides

Modulateur spatial de lumière

Miroir déformable

Réseau de neurones

Ultrafast optics

Liquid crystals

Spatial light modulator

Deformable mirror

Machine learning

Résumé

Cette thèse est menée dans le cadre du laboratoire commun SOFTLITE, une collaboration entre l'Institut de Physique de Nice (INPHYNI) et la société Fastlite. L'objectif de ce projet est le développement de dispositifs innovants à base de cristaux liquides (LCs) nématiques en couche épaisse adaptés à la manipulation spatiale et/ou spectro-temporelle d'impulsions femtosecondes. Dans ce contexte, l'objectif principal de la thèse est d'approfondir un nouveau type de contrôle de la biréfringence des cristaux liquides, ayant donné lieu à la conception d'un nouveau type de modulateur spatial de lumière (SLM) : le TOA-SLM (SLM à adressage thermo-optique). Il s'agit d'un composant réflectif basé sur les propriétés thermotropes des cristaux liquides nématiques. Le TOA-SLM est un dispositif multicouche comprenant une couche épaisse (>50 µm) de LC nématique thermotrope insérée entre un substrat transparent et une couche métallique. La fonction de cette couche métallique est d'abord de générer de la chaleur via l'absorption partielle d'un laser dit d'écriture. La chaleur générée se propage par diffusion dans la couche de LC, donc l'indice optique est ainsi modulé. Cette modulation d'indice est ensuite sondée par un laser dit de lecture, réfléchi par la couche métallique. Ce dispositif est ultra-large bande (une démonstration de principe a permis la modulation de phase d'une bande spectrale multi-octaves) et permet une modulation de phase continue et supérieure à 2 pi. La première partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation, l'optimisation et au dimensionnement numérique et expérimental du composant. Ce travail pointe la difficulté d'obtenir un modèle fortement prédictif et aboutit aux dimensions d'un dispositif optimal pour la modulation de phase et ouvre la voie au TOA-SLM de grande taille (2 pouces) avec de nombreux points de contrôle. Une deuxième partie consiste à vérifier l'adéquation du composant pour la modulation d'impulsions laser ultrabrèves à haute intensité et/ou à haute puissance moyenne. Cela passe, dans un premier temps, par l'identification des mécanismes physiques régissant le seuil d'endommagement laser (LIDT) à 1 µm en régime femtoseconde du cristal liquide seul puis du dispositif complet. Cette démarche est alors complétée par une étude chromatique (0.8 µm à 2.1 µm) du LIDT et démontre comment cette valeur est limitée en régime femtoseconde par les effets non linéaires aux interfaces. L'ensemble de cette étude aboutit à une cartographie des plages d'utilisation du TOA-SLM et valide son utilisation dans des systèmes d'optique ultra-rapide. Enfin, nous développons un protocole de programmation arbitraire de la phase générée par le dispositif. La difficulté de développer un modèle théorique fortement prédictif nous conduit à exploiter l'apprentissage via un algorithme de deep learning. L'entraînement est réalisé à partir de données expérimentales et l'algorithme ainsi obtenu permet de prédire avec précision le profil du faisceau d'écriture nécessaire à l'obtention d'une phase cible et valide cette approche.

This thesis is carried out as part of the SOFTLITE joint laboratory, a collaboration between the Institut de Physique de Nice (INPHYNI) and the company Fastlite. The aim of this project is the development of innovative devices based on thick layer nematic liquid crystals (LCs) adapted for spatial and/or spectro-temporal manipulation of femtosecond pulses. In this context, the main objective of the thesis is to deepen a new type of control of liquid crystal birefringence, which has led to the design of a new type of spatial light modulator (SLM): the Thermo-Optical Addressable SLM (TOA-SLM) patented in 2019. The TOA-SLM is a multi-layer device comprising a thick layer (>50 µm) of thermotropic nematic LC inserted between a transparent substrate and a metallic layer. The function of this metallic layer is twofold. Firstly, it allows the absorption of a so-called writing laser to generate heat propagating by diffusion in the LC layer in order to modulate its optical index. This index modulation is then probed by a reading laser reflected by the metallic layer. It is therefore a reflective component based on the thermotropic properties of nematic liquid crystals. This device is ultra-wideband (a proof-of-concept has demonstrated the modulation of phase of a multi-octave spectral band) and allows for continuous phase modulation greater than 2 pi. The first part of this thesis is devoted to the characterization, optimization, and numerical and experimental dimensioning of the component. This work highlights the difficulty of obtaining a highly predictive model and leads to the dimensions of an optimal device for phase modulation, paving the way for a large (2-inch) TOA-SLM with many control points. The second part involves verifying the suitability of the component for use with an ultra-short laser source and/or high average power. This involves firstly identifying the physical mechanisms governing the laser-induced damage threshold (LIDT) at 1 µm in single-shot and high repetition rate regimes of the LC crystal alone and then of the complete device. This latter study is then complemented by a chromatic study (0.8 µm to 2.1 µm) of the LIDT and demonstrates the influence of nonlinear effects at interfaces in femtosecond regime. This entire part leads to a mapping of the TOA-SLM's operating ranges and validates its use in ultra-fast optical systems. Finally, the last part involves developing a protocol for arbitrary programming of the phase generated by the device. Indeed, the models used until now not being predictive, an approach using a neural network and a deep learning algorithm is chosen. The training is carried out using experimental data, and the resulting model accurately predicts the writing beam profile necessary to obtain a target phase. This result validates this approach and also validates the use of the TOA-SLM as a deformable mirror.