Structures quasi-accord de phase 3D : étude théorique, élaboration de matériaux non-linéaires, et réalisation des structures en matériau polymère

3D nonlinear quasi-phase matching structures : theoretical analysis, material synthesis and study of polymer-based fabrication technique

• Auteur / Autrice : Tamara Pogosian
• Direction : Ngoc Diep Lai, Igor Denisyuk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/02/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec ITMO University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique Quantique et moléculaire (Cachan, Val de Marne) Cachan
• Jury : Président / Présidente : Nikolay Nikonorov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Bidault, Alexandr P. Shkurinov, Isabelle Ledoux-Rak
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Bidault, Alexandr P. Shkurinov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocristaux

Interférence (optique)

Quasi-accord de phase (optique)

Polymères

Mots clés libres

Quasi-Accord de phase

Polymère

Interférence

Generation de seconde harmonique

DAST nanocristal

Quasi-Phase matching

Polymer

Interference

Second-Harmonic generation

DAST nanocrystal

Résumé

Dans ce travail, nous explorons théoriquement et expérimentalement des structures non-linéaires en trois dimensions (3D). Tout d’abord, nous avons étudié la théorie de quasi-accord de phase (QPM) des structures 3D pour une génération efficace de seconde-harmonique. L’efficacité de la conversion de fréquence est analysée en fonction de plusieurs paramètres, tels que le type de structures, le facteur de remplissage, le motif de maille, etc. Une structure QPM 3D optimale et très proche de la structure expérimentale a été démontrée. Ensuite, nous avons étudié plusieurs méthodes pour synthétiser des matériaux non-linéaires à base de cristaux de DAST. En particulier, la taille de ces cristaux a été optimisée en dessous de micromètre afin de les incorporer facilement dans des structures de polymère. Finalement, nous avons développé plusieurs méthodes pour créer des structures QPM 2D et 3D du type +/0 à la demande. La première méthode est basée sur la technique d’interférence de deux faisceaux laser, qui permet de pousser les cristaux DAST non-linéaires dans les zones sombres de la figure d’interférence. Cette technique rapide mais le contraste de la propriété non-linéaire est faible. La deuxième méthode consiste à utiliser la technique dite écriture directe par laser. Cette méthode permet de blanchir la propriété des cristaux de DAST par l’effet photothermique local. En déplaçant le spot de focalisation du faisceau laser, n’importe quelle structure QPM 2D peut-être réalisée. Finalement, nous avons démontré une méthode rapide permettant d’obtenir des structures QPM 2D et 3D de grande contraste, en remplissant les trous de structures de SU-8, fabriquées initialement par la méthode d’interférence, par les cristaux DAST.

In this study, we investigate theoretically and experimentally 3D quasi-phase matching (QPM) structures. The work focuses on i) mathematical analysis of second-harmonic generation efficiency in 3D QPM lattices, ii) synthesis and analysis of polymers materials with embedded nonlinear submicron particles for fabrication of nonlinear lattices, iii) development of methods for creation of nonlinear 2D and 3D QPM lattices. The purpose of the theoretical part is to define the influence of different parameters of 3D QPM structures on the efficiency of the frequency conversion. In order to conduct our experimental research, we then synthesis two composite materials which consist of polymer matrices with embedded nonlinear submicron DAST crystals. Using these materials, we are capable of creating novel methods of fabrication of 2D and 3D QPM structures. The first method consists of holographically writing a photopolymerizable composite, during which the nonlinear DAST crystals are transferred into the dark zones of the interference pattern. The second method employs the direct laser writing technique to patterning the submicron DAST crystals embedded in polymer matrices, by the photothermal destruction effect. Finally, the third method allows creation of 2D nonlinear lattices by filling voids of SU-8 template with submicrometer DAST crystals.