Creation and orientation of nano-crystals by femtosecond laser light for controlling optical non-linear response in silica-based glasses

par Jing Cao

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Bertrand Poumellec.

Soutenue le 03-03-2017

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Monica Ferraris.

Le jury était composé de Bertrand Poumellec, Monica Ferraris, Javier Solis, Mathieu Allix, Léo Mazerolles, Cornelis Jacominus van der Beek, Matthieu Lancry.

Les rapporteurs étaient Javier Solis, Mathieu Allix.

mots clés

• Verre céramique
• Niobate de lithium
• Technique en trois dimensions écriture directe
• Processus ultra-rapides
• Linéarités optiques de la matière condensée
• Impulsions laser ultra-brèves
• Génération de second harmonique
• Verre de silice
• Niobate de lithium
• Cristaux non linéaires

Titre traduit

Création et orientation de nano-cristaux par irradiation laser femtoseconde pour le contrôle de l'orientation des propriétés optiques non-linéaires dans des verres à base de silice

Résumé

En raison d’un désordre aléatoire à longue distance, un verre présente une symétrie d'inversion telle que la génération de seconde harmonique (GSH) est interdite. Cependant, par irradiation avec un laser femtoseconde (fs) très focalisé, il est possible de précipiter des cristaux optiquement non linéaires, et de rompre la symétrie d'inversion et donc d'induire une GSH. De plus, ceci peut être réalisé localement en trois dimensions. Pour la démonstration, on a appliqué, dans le système vitreux Li₂O-Nb₂O₅-SiO₂ le mode opératoire décrit ci-dessous qui permet la formation de cristaux de LiNbO₃, hautement optiquement non linéaire. La procédure est la suivante : 1) ajustement de la composition chimique du verre pour obtenir un verre suffisamment sensible au laser fs ; 2) contrôle des paramètres du laser (durée d'impulsion, fréquence de répétition des impulsions, vitesse de balayage du faisceau, énergie d'impulsion…) pour obtenir des nanocristaux avec répartition spatiale et taille correcte. En outre, la taille de la zone affectée doit être limitée ; 3) contrôle de l'orientation des nanocristaux. On montre qu'il est possible de satisfaire à cette condition, en contrôlant l'orientation de la polarisation du laser. Ceci a été montré par la méthode de rétrodiffusion d'électrons de diffraction (EBSD). En d'autres termes, ce processus peut être contrôlé directement avec la lumière. En outre, la spectroscopie par rayons X à dispersion d'énergie couplée à la microscopie à transmission électronique à balayage (STEM /EDS) et la microscopie électronique à transmission a révélé une microstructure orientable similaire à celle appelée nanoréseaux formée dans silice. L'originalité est que les nanocristaux optiques non linéaires texturées noyées dans un réseau de "murs" vitreux, sont alignés perpendiculairement à la direction de polarisation du laser. Il en résulte que la biréfringence et la propriété optique non linéaire peuvent être maîtrisées ensemble. Ceci est une percée dans ce travail de thèse. Ces résultats mettent en évidence des modifications spectaculaires de verre par rayonnement laser fs. Avec de nouvelles améliorations dans les techniques de fabrication, l'application de ce travail est de parvenir à réaliser un guide d'ondes biréfringent doubleur ou changeur de fréquences.

mots clés

• Glass ceramic
• Lithium niobate
• Three-dimensional direct writing technique
• Ultra-fast processes
• Optical nonlinearities of condensed matter

Résumé

Due to random disorder, a glass exhibits inversion symmetry such that second harmonic generation (SHG) is forbidden. However, by irradiation with a tightly focused femtosecond (fs) laser, it is possible to induce nonlinear optical crystal precipitation, in order to break the inversion symmetry and thus to induce SHG. Moreover, this can be achieved locally in three dimensions. For demonstration, we applied the procedure described below in the glass system Li₂O-Nb₂O₅-SiO₂ that allows the formation of LiNbO₃ crystal, a highly non linear optical one. The procedure is thus the following: 1) adjustment of the glass chemical composition for obtaining a glass sensitive enough to fs laser. 2) control of the laser parameters (pulse duration, pulse repetition rate, speed of beam scanning, pulse energy…) for obtaining nanocrystals with correct space distribution and size. In addition, the size of the affected zone has to be limited. 3) control of the orientation of the nanocrystals. We show that it is possible to fulfill this condition by controlling the laser polarization orientation. This has been achieved by electron backscatter diffraction method (EBSD). In other words, this process can be controlled with light directly. In addition, energy dispersive X-ray spectroscopy coupled to scanning transmission electron microscopy (STEM/EDS) and transmission electron microscopy revealed an orientable microstructure similar to the one called nanogratings form in silica. The originality here is a textured nonlinear optical nanocrystals embedded in a network of “walls” made of vitreous phase, aligned perpendicular to the laser polarization direction. It results that birefringence and nonlinear optical property can be mastered in the same time. This is a highly valuable aspect of the work. These findings highlight spectacular modifications of glass by fs laser radiation. With further improvements in the fabrication techniques, the application of this work is to achieve SHG waveguide and birefringence-based devices.