Au-delà de la limite de diffraction : des couches minces de chalcogénures 2D pour la super-résolution

Beyond the Diffraction Limit: 2D Chalcogenide Thin Films for Achieving Super-Resolution

• Auteur / Autrice : Arjun Karimbana kandy
• Direction : Julien Lumeau, Konstantinos Iliopoulos
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut FRESNEL - Sciences et Technologies de l'Optique, l'Electromagnétisme, et l'Image
• Jury : Président / Présidente : Vincent Couderc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Lumeau, Bertrand Kibler, Konstantinos Iliopoulos, Marco Jupe, Nathalie Vermeulen, Jean-Yves Natoli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bertrand Kibler, Vincent Couderc

Mots clés

Mots clés libres

Nanofabrication

Laser femtoseconde

Optique non linéaire

Super-résolution

Couches minces

Composants optiques

Nanofabrication

Femtosecond laser

Nonlinear optics

Super-resolution

Thin films

Optical components

Résumé

L'objectif principal de la thèse était l'optimisation des propriétés optiques non linéaires des couches minces de chalcogénures pour une utilisation dans des applications telles que le verrouillage de mode (mode-locking) laser et la super-résolution. Tout d'abord, des couches minces de Bi2Se3 et Bi2Te3 ont été déposées par la technique de dépôt par évaporation par faisceau d'électrons. Les couches minces ont ensuite été cristallisées afin d'obtenir des non-linéarités optiques significatives. Les couches minces ont été étudiées par spectrophotométrie UV-Vis, microscopie électronique à balayage et diffraction des rayons X afin d'obtenir davantage d'informations sur leurs propriétés optiques, ainsi que sur leurs propriétés structurelles. Après ces investigations, les échantillons ont été étudiés par la technique Z-scan, qui a permis une étude approfondie de leurs propriétés d’optique non linéaire. En particulier, la susceptibilité du troisième ordre a été étudiée. Une absorption non linéaire significative, liée à l’absorption saturable a été obtenue et s'est avérée particulièrement élevée, par rapport à d'autres matériaux 2D déjà étudiés dans la littérature. Plus précisément, au cours de la thèse, des études approfondies de la susceptibilité optique non linéaires du troisième ordre ont été réalisées à deux longueurs d'onde différentes (515 nm et 1030 nm) et en fonction de plusieurs paramètres, tels que l'épaisseur des couches minces, la température de recuit et la durée de l'impulsion laser. Ces études ont permis d'obtenir un ajustement précis de la réponse optique non linéaire et d'atteindre les non-linéarités optiques les plus élevées possibles. Un dispositif d’inscription laser directe a également été monté, permettant d'effectuer une inscription laser directe sur des couches minces. Ce dispositif a permis de réaliser deux expériences différentes. Tout d'abord, des éléments optiques diffractifs ont été fabriqués en nanostructurant par laser la matière avec une résolution sub-longueur d'onde. En outre, la possibilité d'augmenter la résolution de l'inscription laser directe en utilisant des masques de super-résolution présentant des non-linéarités du troisième ordre très élevées a été démontrée. En conclusion, les perspectives de ce travail et les applications possibles des couches minces déposées et optimisées au cours de la thèse sont présentées.

The main target of the thesis was the optimization of the nonlinear optical properties of 2D chalcogenide layers for use in applications such as mode-locking and super-resolution. Firstly, Bi2Se3 and Bi2Te3 thin films have been deposited by the electron beam deposition technique. Then the thin films have been crystallized in order to obtain significant optical nonlinearities. The thin films have been studied by UV-Vis spectrophotometry, Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD) to obtain more information on their optical properties, as well as their morphological properties. After these investigations the samples have been studied by the Z-scan technique, which allowed a thorough investigation of their nonlinear optical properties. In particular, the third order nonlinear susceptibility has been investigated. Significant nonlinear absorption related to a saturable absorption attribute has been obtained and has been found to be significantly high, compared with other 2D materials already studied in the literature. A detailed comparison with previous published articles is presented in the manuscript. More specifically, during the thesis, detailed experiments of the third order nonlinear optical susceptibilities have been performed at two different wavelengths (515 nm and 1030 nm) and as a function of several parameters, such as the thickness of the thin films, the annealing temperature and the laser pulse duration. These studies allowed to obtain a precise adjustment of the nonlinear optical response and additionally achieving the maximum optical nonlinearities possible. A direct laser setup has been also built, allowing to perform direct laser writing on thin layers. Using this setup two different experiments have been carried out. Firstly, diffractive optical elements have been fabricated by nanostructuring the matter with sub-wavelength resolution. Additionally, the possibility to increase the resolution of the direct laser writing by using super-resolution masks exhibiting high third order nonlinearities has been demonstrated. In conclusion, perspectives of this work and possible applications of the thin films deposited and optimized during the thesis are presented.