Formation de structures de domaines dans des ferroélectriques uniaxiaux : Applications à l'amplification paramétrique optique de grande ouverture

Formation of domain structure in uniaxial ferroelectrics : Applications to high-aperture optical parametric amplification

• Auteur / Autrice : Elizaveta Neradovskaia
• Direction : Pascal Baldi, Vladimir Ya Shur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/05/2020
• 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 : Ausrine Bartasyte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Baldi, Vladimir Ya Shur, Ausrine Bartasyte, Patricia Segonds, Andrei Kholkin, Nicolas Forget

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique non linéaire

Cristaux ferroélectriques

Mots clés libres

Férroélectriques

Structures de domaines

Amplification paramétrique optique

Optique non linéaire

Relaxeurs

Ferroelectrics

Domain structure

Optical parametric amplification

Nonlinear optics

Relaxors

Résumé

Сette thèse est consacrée à l'étude de structures de domaines dans des ferroélectriques uniaxiaux et à leur application aux amplificateurs paramétriques optiques à grande ouverture.L'étude de l'évolution de la structure de domaines dans les cristaux ferroélectriques est extrêmement importante tant d'un point de vue fondamental qu’appliqué. La microscopie à sonde à balayage offre une opportunité unique pour une investigation locale des processus d'inversion de polarisation, dont les résultats peuvent être utilisés pour optimiser les méthodes classiques d'ingénierie de domaine. L'utilisation de cristaux ferroélectriques à axe polaire incliné ouvre de nouvelles opportunités pour l'étude in situ de la cinétique de domaine.En outre, l'intérêt pour l'application pratique des monocristaux ferroélectriques a considérablement augmenté en relation avec le développement de la physique des champs forts, qui nécessite la création de nouveaux éléments optiques non linéaires avec une grande ouverture. Ce problème est résolu à l'aide de l'ingénierie de domaine.Ce travail présente à la fois l'étude fondamentale de la cinétique de domaine dans des ferroélectriques classique et relaxeur et l'étude appliquée de la modélisation, de la création et de la caractérisation de mélangeurs optiques à grande ouverture pour des lasers haute puissance sur la base de cristaux de niobate de lithium congruent à polarisation périodique avec l’axe polaire inclinée (CLN incliné).Le chapitre 1 contient les bases théoriques de la physique des ferroélectrique et de l'optique non linéaire. De plus, l'état de l'art est présenté.Le chapitre 2 est consacré aux méthodes expérimentales et aux configurations utilisées pour étudier la structure de domaines des ferroélectriques.L'étude de l'évolution de la structure des domaines dans les ferroélectriques relaxeurs sur l'exemple du niobate de strarytium baryum relaxant (SBN) est présentée au chapitre 3. L'influence d'un état de domaine initial sur la cinétique du domaine lors de l'inversion de polarisation par des méthodes de polarisation intégrales et locales est montrée.Le chapitre 4 est consacré à l'étude de la cinétique de domaines dans les cristaux de niobate de lithium congruents à l’axe polaire incliné. La croissance du domaine vers l'avant pendant le poling de champ électrique et le poling de faisceau électronique est étudiée.La modélisation du mélangeur de fréquence à grande ouverture sur la base de CLN incliné périodique polaire avec différentes orientations des axes cristallins est proposée au chapitre 5. Le modèle est basé sur les principes du quasi-accord de phase eu angle.L'étude de l'amplification paramétrique optique d'impulsions chirped (OPA) dans un 64˚ Y-cut CLN polaire périodique est présentée au chapitre 6. Les dépendances angulaires du gain et de la bande passante spectrale sont décrites.

The study of the evolution of the domain structure in ferroelectric crystals is extremely important from a fundamental and applied point of view. Scanning probe microscopy provides a unique opportunity for local investigation of the processes of polarization reversal, the results of which can be used to optimize the classical methods of domain engineering. Using of ferroelectric crystals with slanted polar axis opens new opportunities for in situ investigation of domain kinetics.In addition, interest in the practical application of ferroelectric single crystals has greatly increased in connection with the development of strong field physics, which requires the creation of new nonlinear optical elements with a large aperture. This problem is solved with the help of domain engineering.This work presents both the fundamental study of domain kinetics in classical and relaxor ferroelectrics and the applied investigation of modeling, creation, and characterization of large aperture optical mixers for high-power lasers on the base of periodical poled congruent lithium niobate crystals with the slanted polar axis (slanted CLN).Chapter 1 contains the theoretical basis for the physics of ferroelectrics and nonlinear optics. Also, the state of the art is presented.Chapter 2 is dedicated to experimental methods and setups used for investigation of domain structure in ferroelectrics.The investigation of the evolution of domain structure in relaxor ferroelectrics on the example of model relaxor strontium barium niobate (SBN) is presented in chapter 3. The influence of an initial domain state on domain kinetics during polarization reversal by both integral and local methods of poling is shown.Chapter 4 is devoted to the investigation of domain kinetics in congruent lithium niobate crystals with slanted polar axis. Forward domain growth during electric field poling and e-beam poling is studied.Modeling of large-aperture frequency mixer on base of periodical poled slanted CLN with different crystal axis orientations is offered in chapter 5. Model is based on the principals of angular quasi-phase matching.Study of chirped pulse optical parametric amplification (OPA) in periodical poled 64˚ Y-cut CLN is presented in chapter 6. Angular dependences of gain and spectral bandwidth are described.